JP5976522B2 - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェハなどの基板を研磨する研磨装置および研磨方法に関する。

近年、半導体デバイスの高集積化・高密度化に伴い、回路の配線がますます微細化し、多層配線の層数も増加している。回路の微細化を図りながら多層配線を実現しようとすると、下側の層の表面凹凸を踏襲しながら段差がより大きくなるので、配線層数が増加するに従って、薄膜形成における段差形状に対する膜被覆性（ステップカバレッジ）が悪くなる。したがって、多層配線するためには、このステップカバレッジを改善し、然るべき過程で平坦化処理しなければならない。また光リソグラフィの微細化とともに焦点深度が浅くなるため、半導体デバイスの表面の凹凸段差が焦点深度以下に収まるように半導体デバイス表面を平坦化処理する必要がある。

したがって、半導体デバイスの製造工程においては、半導体デバイス表面の平坦化がますます重要になっている。この表面の平坦化において最も重要な技術は、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）である。この化学機械研磨は、シリカ（ＳｉＯ_２）等の砥粒を含んだ研磨液を研磨パッドの研磨面上に供給しつつウェハを研磨面に摺接させて研磨を行うものである。

ＣＭＰを行うための研磨装置は、研磨パッドを支持する研磨テーブルと、ウェハを保持するためのトップリング又は研磨ヘッド等と称される基板保持装置とを備えている。このような研磨装置を用いてウェハの研磨を行う場合には、基板保持装置によりウェハを保持しつつ、このウェハを研磨パッドの研磨面に対して所定の圧力で押圧する。このとき、研磨テーブルと基板保持装置とを相対運動させることによりウェハが研磨面に摺接し、ウェハの表面が研磨される。

研磨中のウェハと研磨パッドの研磨面との間の相対的な押圧力がウェハの全面に亘って均一でない場合には、ウェハの各部分に与えられる押圧力に応じて研磨不足や過研磨が生じてしまう。そこで、ウェハに対する押圧力を均一化するために、基板保持装置の下部に弾性膜から形成される圧力室を設け、この圧力室に空気などの流体を供給することで弾性膜を介して流体圧によりウェハを押圧することが行われている。

上記研磨パッドは弾性を有するため、研磨中のウェハのエッジ部（周縁部）に加わる押圧力が不均一になり、ウェハのエッジ部のみが多く研磨される、いわゆる「縁だれ」を起こしてしまう場合がある。このような縁だれを防止するため、ウェハのエッジ部を保持するリテーナリングをトップリング本体（又はキャリアヘッド本体）に対して上下動可能に設け、ウェハの外周縁側に位置する研磨パッドの研磨面をリテーナリングで押圧するようにしている。

特開２００２−９６２６１号公報

近年、半導体デバイスの種類が飛躍的に増大しており、デバイス毎やＣＭＰ工程毎（酸化膜研磨や金属膜研磨など）にウェハエッジ部の研磨プロファイルを調整する必要性が高くなってきている。この理由の１つには、各ＣＭＰ工程の前に行われる成膜工程が膜の種類によって異なるためにウェハの初期膜厚分布が異なることが挙げられる。通常ＣＭＰ後にウェハ全面で均一な膜厚分布とすることが必要とされるため、異なる初期膜厚分布ごとに必要となる研磨プロファイルが異なってくる。

他の理由としては、コストなどの観点から研磨装置で使用される研磨パッドや研磨液などの種類が非常に増加していることも挙げられる。研磨パッドや研磨液などの消耗材が異なると、特にウェハエッジ部での研磨プロファイルは大きく異なってくる。半導体デバイス製造においては、ウェハエッジ部の研磨プロファイルは製品の歩留まりに大きく影響するために、ウェハエッジ部の研磨プロファイルを精密に調整することは非常に重要である。

上述したように、従来から、ウェハエッジ部の縁だれを防止するために、ウェハの外周縁側に位置する研磨パッドの研磨面を押圧するリテーナリングを備えた基板保持装置が用いられている。このリテーナリング圧力の調整によってウェハエッジ部の研磨レートを調整することは可能である。しかしながら、リテーナリング圧力を変更すると、ウェハエッジ部のみならず、その他の領域を含む比較的広い範囲で研磨レートが変化してしまう。したがって、この方法は、ウェハエッジ部での研磨プロファイルを精密に制御したい場合には適さないものであった。

本発明者は、種々の実験を行った結果、ウェハのエッジ部を保持するリテーナリングに局所的に力を与えることにより、研磨プロファイルを調整でき、特にウェハエッジ部での研磨プロファイルを精密に制御できることを発見した。

したがって、本発明は、ウェハなどの基板の研磨プロファイル、特にエッジ部での研磨プロファイルを精密に制御できる研磨装置および研磨方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置と、前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、を備え、前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、前記研磨装置は、前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける少なくとも１つの局所荷重付与機構とを備え、前記局所荷重付与機構は、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記基板保持装置は、前記リテーナリングの上面の全体に均一な下向きの荷重を与えることで前記リテーナリングの下面を前記研磨面に対して押圧するリテーナリング押圧機構をさらに有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板保持面および前記リテーナリングは、互いに相対的に上下動可能であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板保持装置は、前記基板の研磨中に該基板から前記リテーナリングに加わる横方向の力を受ける支持機構をさらに有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記局所荷重付与機構は、前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に与えるためのエアシリンダを備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記局所荷重付与機構は、前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に与えるための磁石を備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記磁石は電磁石であり、該電磁石は下向きの局所荷重および上向きの局所荷重を選択的に前記リテーナリングの一部に与えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記局所荷重に従って変化する力を計測するロードセルをさらに備えたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記局所荷重付与機構の設置位置は変更可能であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記研磨面を前記基板保持装置に対して相対的に水平方向に移動させる研磨面移動機構をさらに備えており、前記局所荷重付与機構は、前記研磨面の移動方向に関して前記基板の下流側に位置することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記少なくとも１つの局所荷重付与機構は、複数の局所荷重付与機構であることを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置を備え、前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、前記研磨装置は、前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける局所荷重付与機構をさらに備え、前記局所荷重付与機構の設置位置は変更可能に構成されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記リテーナリングの鉛直方向の変位を測定するリテーナリング高さセンサをさらに備えたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記リテーナリングの鉛直方向の変位の測定結果に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記研磨装置は、前記基板の研磨中に前記基板の表面を横切りながら該基板の複数の領域において前記基板の膜厚を示す膜厚信号を取得する膜厚センサをさらに備え、前記取得された膜厚信号に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする。

本発明の他の態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨方法であって、前記基板を回転させながら該基板を前記研磨面に押圧し、前記基板を囲むように配置されたリテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、前記基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記リテーナリングとは一体に回転しない局所荷重付与機構から前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板に対して傾けることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板の研磨結果に基づいて前記局所荷重の位置を変更することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、リテーナリング高さセンサで前記リテーナリングの鉛直方向の変位を測定し、前記リテーナリングの鉛直方向の変位の測定結果に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする。
前記基板の研磨中に膜厚センサが前記基板の表面を横切りながら、該基板の複数の領域において前記基板の膜厚を示す膜厚信号を前記膜厚センサにより取得し、前記取得された膜厚信号に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする。

本発明のさらに他の態様は、第１の基板を回転させながら該第１の基板を研磨面に押圧し、前記第１の基板を囲むように配置されたリテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、前記第１の基板を前記研磨面に押圧しているときに、所定の第１の位置に静止する局所荷重付与機構から前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記第１の基板に対して傾け、前記第１の基板の研磨後、第２の基板を回転させながら該第２の基板を前記研磨面に押圧し、前記リテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、前記第２の基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記所定の第１の位置とは異なる所定の第２の位置に静止する前記局所荷重付与機構から前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記第２の基板に対して傾け、前記第１の基板および前記第２の基板の研磨結果を取得し、前記研磨結果に基づいて、前記局所荷重付与機構の位置を決定することを特徴とする研磨方法である。
本発明の好ましい態様は、前記第２の基板の研磨での前記局所荷重は、前記第１の基板の研磨での前記局所荷重と異なることを特徴とする。

本発明のさらに他の態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置と、前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、局所荷重を発生させる局所荷重付与機構と、前記局所荷重付与機構と前記リテーナリングとの間に配置された押圧リングとを備え、前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、前記局所荷重付与機構は、前記押圧リングの一部に前記研磨面に対して垂直な方向に局所荷重を与え、前記押圧リングは、前記局所荷重付与機構から受けた前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に伝達することで前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける荷重伝達要素を有し、前記局所荷重付与機構および前記押圧リングは、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記荷重伝達要素の位置は、前記リテーナリングの周方向に沿って変更可能に構成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記荷重伝達要素は転動部から構成されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記基板保持装置は、前記リテーナリングの上面の全体に均一な下向きの荷重を与えることで前記リテーナリングの下面を前記研磨面に対して押圧するリテーナリング押圧機構をさらに有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記局所荷重付与機構は、複数の荷重発生装置と、前記複数の荷重発生装置が発生した荷重を受けるブリッジと、前記ブリッジが受けた荷重を前記押圧リングに伝える接続部材とを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の荷重発生装置のうち前記接続部材に近い荷重付与機構は相対的に大きな荷重を発生し、前記接続部材から遠い荷重発生装置は相対的に小さい荷重を発生することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の荷重発生装置が発生した荷重の重心が前記接続部材の位置に一致するように、前記複数の荷重発生装置はそれぞれ荷重を発生することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記押圧リングは、前記局所荷重に従って変化する力を計測するロードセルを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記押圧リングと真空原とを接続する吸引ラインをさらに備えたことを特徴とする。

本発明のさらに他の態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置と、前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、局所荷重を発生させる複数の局所荷重付与機構と、前記複数の局所荷重付与機構と前記リテーナリングとの間に配置された押圧リングとを備え、前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、前記複数の局所荷重付与機構は、それぞれ前記押圧リングの一部に前記研磨面に対して垂直な方向に局所荷重を与え、前記押圧リングは、前記複数の局所荷重付与機構から受けた前記局所荷重をそれぞれ前記リテーナリングに伝達することで前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける複数の荷重伝達要素を有し、前記複数の局所荷重付与機構および前記押圧リングは、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする。

前記複数の荷重伝達要素は複数の転動部から構成されることを特徴とする。
前記基板保持装置は、前記リテーナリングの上面の全体に均一な下向きの荷重を与えることで前記リテーナリングの下面を前記研磨面に対して押圧するリテーナリング押圧機構をさらに有することを特徴とする。
前記複数の局所荷重付与機構は、前記押圧リングに与える前記局所荷重の重心を変更可能に構成されていることを特徴とする。
前記押圧リングは、前記局所荷重に従って変化する力を計測するロードセルを有することを特徴とする。

本発明のさらに他の態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリング、前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を付与する押圧部材、および前記局所荷重を発生させる荷重発生装置を有する基板保持装置と、前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、前記押圧部材が前記基板保持装置とは一体に回転しないように前記押圧部材の位置を保持する位置保持機構とを備え、前記基板保持装置は、前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面を有し、前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、前記押圧部材は、前記荷重発生装置によって発生された前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に伝達することで前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾けるように構成され、前記位置保持機構は、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする。
前記位置保持機構は、磁力により前記押圧部材の位置を保持することを特徴とする。
本発明のさらに他の態様は、上記研磨装置を用いて基板を研磨することを特徴とする研磨方法である。

本発明のさらに他の態様は、基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨方法であって、前記基板を回転させながら該基板を前記研磨面に押圧し、前記基板を囲むように配置されたリテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、前記基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記リテーナリングとは一体に回転しない複数の局所荷重付与機構から、それぞれ前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板に対して傾けることを特徴とする。
前記複数の局所荷重付与機構がそれぞれ発生する前記局所荷重を変えることにより、前記局所荷重の重心を変更することを特徴とする。

本発明によれば、リテーナリングの一部に局所荷重を加えることにより、リテーナリングの面圧分布、研磨面の変形状態、リテーナリングの変形状態などを積極的に制御することができる。結果として、リテーナリングに隣接するウェハエッジ部での研磨レートを精密に制御することができる。

本発明の一実施形態における研磨装置を示す模式図である。 研磨装置の詳細な構成を示す図である。 トップリングの断面図である。 リテーナリングおよび連結部材を示す平面図である。 球面軸受および連結部材の一部の拡大断面図である。 図６（ａ）は、連結部材が球面軸受に対して上下動している様子を示し、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、連結部材が中間輪と共に傾動している様子を示している。 球面軸受の他の構成例を示す図である。 図８（ａ）は、連結部材が球面軸受に対して上下動している様子を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、連結部材が内輪と共に傾動している様子を示している。 リテーナリングに回転カバーを設置し、この回転カバーを囲むように静止カバーを設置した例を示す図である。 局所荷重付与機構の他の実施形態を示す図である。 局所荷重付与機構のさらに他の実施形態を示す図である。 局所荷重付与機構のさらに他の実施形態を示す図である。 トップリングの他の実施形態を示す図である。 研磨面の上方から見た位置関係を示した図である。 局所荷重付与機構の移動機構を設けた例を示す図である。 リテーナリング高さセンサを設けた例を示す図である。 局所荷重付与機構の押圧位置の決定方法を説明するフローチャートである。 局所荷重付与機構の押圧位置の決定方法を説明するための参考例を示す図である。 局所荷重付与機構の押圧位置の決定方法を説明するための参考例を示す図である。 局所荷重付与機構のさらに他の実施形態を示す図である。 リテーナリングと球面軸受とを連結するための連結部材を示す平面図である。 トップリング、押圧リング、および局所荷重付与機構を示す斜視図である。 図２３（ａ）は、局所荷重付与機構からリテーナリングに与えられる局所荷重を測定するロードセルを示す図であり、図２３（ｂ）は図２３（ａ）に示す押圧リングをＢ−Ｂ線から見た図である。 ブリッジの上面図である。 各エアシリンダおよび局所荷重点の位置関係を示した上面図である。 図２６（ａ）は第１吸引ラインと押圧リングとの接続部を示す拡大図であり、図２６（ｂ）は第２吸引ラインと押圧リングとの接続部を示す拡大図である。 磁性体および押圧リングを示す拡大図である。 取付リングを示す平面図である。 局所荷重付与機構のさらに他の実施形態を示す断面図である。 図３０（ａ）乃至図３０（ｃ）はエアシリンダおよび押圧リングを示した平面図である。 トップリングの他の実施形態を示す断面図である。 図３２（ａ）は押圧部材および位置保持機構を示す平面図であり、図３２（ｂ）は押圧部材の側面図である。 球面軸受に支持された軸部の変形例を示す断面図である。 トップリングのさらに他の実施形態を示す断面図である。 トップリングのさらに他の実施形態を示す部分断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態における研磨装置を示す模式図である。図１に示すように、研磨装置は、ウェハ（基板）Ｗを保持し回転させるトップリング（基板保持装置）１と、研磨パッド２を支持する研磨テーブル３と、研磨パッド２に研磨液（スラリー）を供給する研磨液供給機構５と、ウェハＷの膜厚に従って変化する膜厚信号を取得する膜厚センサ７とを備えている。膜厚センサ７は、研磨テーブル３内に設置されており、研磨テーブル３が１回転するたびに、ウェハＷの中心部を含む複数の領域での膜厚信号を取得する。膜厚センサ７の例としては、光学式センサや渦電流センサが挙げられる。

トップリング１は、その下面に真空吸着によりウェハＷを保持できるように構成されている。トップリング１および研磨テーブル３は、矢印で示すように同じ方向に回転し、この状態でトップリング１は、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押し付ける。研磨液供給機構５からは研磨液が研磨パッド２上に供給され、ウェハＷは、研磨液の存在下で研磨パッド２との摺接により研磨される。ウェハＷの研磨中、膜厚センサ７は研磨テーブル３と共に回転し、記号Ａに示すようにウェハＷの表面を横切りながら膜厚信号を取得する。この膜厚信号は、膜厚を直接または間接に示す指標値であり、ウェハＷの膜厚の減少に従って変化する。膜厚センサ７は研磨制御部９に接続されており、膜厚信号は研磨制御部９に送られるようになっている。研磨制御部９は、膜厚信号によって示されるウェハＷの膜厚が所定の目標値に達したときに、ウェハＷの研磨を終了させる。

図２は、研磨装置の詳細な構成を示す図である。研磨テーブル３は、テーブル軸３ａを介してその下方に配置されるモータ１３に連結されており、そのテーブル軸３ａ周りに回転可能になっている。研磨テーブル３の上面には研磨パッド２が貼付されており、研磨パッド２の上面がウェハＷを研磨する研磨面２ａを構成している。モータ１３により研磨テーブル３を回転させることにより、研磨面２ａはトップリング１に対して相対的に移動する。したがって、モータ１３は、研磨面２ａを水平方向に移動させる研磨面移動機構を構成する。

トップリング１は、トップリングシャフト１１に接続されており、このトップリングシャフト１１は、上下動機構２７によりトップリングヘッド１６に対して上下動するようになっている。このトップリングシャフト１１の上下動により、トップリングヘッド１６に対してトップリング１の全体を昇降させ位置決めするようになっている。トップリングシャフト１１の上端にはロータリージョイント２５が取り付けられている。

トップリングシャフト１１およびトップリング１を上下動させる上下動機構２７は、軸受２６を介してトップリングシャフト１１を回転可能に支持するブリッジ２８と、ブリッジ２８に取り付けられたボールねじ３２と、支柱３０により支持された支持台２９と、支持台２９上に設けられたサーボモータ３８とを備えている。サーボモータ３８を支持する支持台２９は、支柱３０を介してトップリングヘッド１６に固定されている。

ボールねじ３２は、サーボモータ３８に連結されたねじ軸３２ａと、このねじ軸３２ａが螺合するナット３２ｂとを備えている。トップリングシャフト１１は、ブリッジ２８と一体となって上下動するようになっている。したがって、サーボモータ３８を駆動すると、ボールねじ３２を介してブリッジ２８が上下動し、これによりトップリングシャフト１１およびトップリング１が上下動する。トップリングヘッド１６には、ブリッジ２８に対向するトップリング高さセンサ３９が設けられている。このトップリング高さセンサ３９は、トップリング１と一体に上下動するブリッジ２８の位置からトップリング１の高さを測定する。

また、トップリングシャフト１１はキー（図示せず）を介して回転筒１２に連結されている。この回転筒１２はその外周部にタイミングプーリ１４を備えている。トップリングヘッド１６にはトップリング用モータ１８が固定されており、上記タイミングプーリ１４は、タイミングベルト１９を介してトップリング用モータ１８に設けられたタイミングプーリ２０に接続されている。したがって、トップリング用モータ１８を回転駆動することによってタイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４を介して回転筒１２およびトップリングシャフト１１が一体に回転し、トップリング１がその軸心を中心として回転する。トップリング用モータ１８，タイミングプーリ２０、タイミングベルト１９、およびタイミングプーリ１４は、トップリング１をその軸心を中心として回転させる回転機構を構成する。トップリングヘッド１６は、フレーム（図示せず）に回転可能に支持されたトップリングヘッドシャフト２１によって支持されている。

トップリング１は、その下面にウェハＷなどの基板を保持できるようになっている。トップリングヘッド１６はトップリングシャフト２１を中心として旋回可能に構成されており、下面にウェハＷを保持したトップリング１は、トップリングヘッド１６の旋回によりウェハＷの受取位置から研磨テーブル３の上方に移動される。そして、トップリング１を下降させてウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに押圧する。このとき、トップリング１および研磨テーブル３をそれぞれ回転させ、研磨テーブル３の上方に設けられた研磨液供給機構５から研磨パッド２上に研磨液を供給する。このように、ウェハＷを研磨パッド２の研磨面２ａに摺接させてウェハＷの表面を研磨する。

次に、基板保持装置を構成するトップリング１について説明する。図３は、トップリング１の断面図である。図３に示すように、トップリング１は、ウェハＷを研磨面２ａに対して押圧するトップリング本体１０と、ウェハＷを囲むように配置されたリテーナリング４０とを備えている。トップリング本体１０およびリテーナリング４０は、トップリングシャフト１１の回転により一体に回転するように構成されている。リテーナリング４０は、トップリング本体１０とは独立して上下動可能に構成されている。

トップリング本体１０は、円形のフランジ４１と、フランジ４１の下面に取り付けられたスペーサ４２と、スペーサ４２の下面に取り付けられたキャリア４３とを備えている。フランジ４１は、トップリングシャフト１１に連結されている。キャリア４３は、スペーサ４２を介してフランジ４１に連結されており、フランジ４１、スペーサ４２、およびキャリア４３は、一体に回転し、かつ上下動する。フランジ４１、スペーサ４２、およびキャリア４３から構成されるトップリング本体１０は、エンジニアリングプラスティック（例えば、ＰＥＥＫ）などの樹脂により形成されている。なお、フランジ４１をＳＵＳ、アルミニウムなどの金属で形成してもよい。

キャリア４３の下面には、ウェハＷの裏面に当接する弾性膜４５が取り付けられている。弾性膜４５の下面が基板保持面４５ａを構成する。弾性膜４５は環状の隔壁４５ｂを有しており、これらの隔壁４５ｂにより、弾性膜４５とトップリング本体１０との間に４つの圧力室、すなわち、センター室５０、リプル室５１、アウター室５２、およびエッジ室５３が形成されている。これらの圧力室５０〜５３はロータリージョイント２５を経由して圧力調整装置６５に接続されており、圧力調整装置６５から加圧流体が供給されるようになっている。圧力調整装置６５は、これら４つの圧力室５０〜５３内の圧力を独立に調整できるようになっている。さらに、圧力調整装置６５は、圧力室５０〜５３内に負圧を形成することも可能となっている。弾性膜４５は、リプル室５１またはアウター室５２に対応する位置に通孔（図示せず）を有しており、この通孔に負圧を形成することによりトップリング１はその基板保持面４５ａ上にウェハＷを保持できるようになっている。弾性膜４５は、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ポリウレタンゴム、シリコーンゴム等の強度および耐久性に優れたゴム材によって形成されている。センター室５０、リプル室５１、アウター室５２、およびエッジ室５３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、センター室５０、リプル室５１、アウター室５２、およびエッジ室５３を大気開放することも可能である。

リテーナリング４０は、トップリング本体１０のキャリア４３および弾性膜４５を囲むように配置されている。このリテーナリング４０は、研磨パッド２の研磨面２ａに接触するリング部材４０ａと、このリング部材４０ａの上部に固定されたドライブリング４０ｂとを有している。リング部材４０ａは、図示しない複数のボルトによってドライブリング４０ｂに結合されている。リング部材４０ａは、ウェハＷの外周縁を囲むように配置されており、ウェハＷの研磨中にウェハＷがトップリング１から飛び出さないようにウェハＷを保持している。

リテーナリング４０の上部は、環状のリテーナリング押圧機構６０に連結されており、このリテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の上面（より具体的には、ドライブリング４０ｂの上面）の全体に均一な下向きの荷重を与え、これによりリテーナリング４０の下面（すなわち、リング部材４０ａの下面）を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。

リテーナリング押圧機構６０は、ドライブリング４０ｂの上部に固定された環状のピストン６１と、ピストン６１の上面に接続された環状のローリングダイヤフラム６２とを備えている。ローリングダイヤフラム６２の内部にはリテーナリング圧力室６３が形成されている。このリテーナリング圧力室６３はロータリージョイント２５を経由して圧力調整装置６５に接続されている。この圧力調整装置６５からリテーナリング圧力室６３に加圧流体（例えば、加圧空気）を供給すると、ローリングダイヤフラム６２がピストン６１を下方に押し下げ、さらに、ピストン６１はリテーナリング４０の全体を下方に押し下げる。このようにして、リテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の下面を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。さらに、圧力調整装置６５によりリテーナリング圧力室６３内に負圧を形成することにより、リテーナリング４０の全体を上昇させることができる。リテーナリング圧力室６３は大気開放機構（図示せず）にも接続されており、リテーナリング圧力室６３を大気開放することも可能である。

リテーナリング４０は、リテーナリング押圧機構６０に着脱可能に連結されている。より具体的には、ピストン６１は金属などの磁性材から形成されており、ドライブリング４０ｂの上部には複数の磁石７０が配置されている。これら磁石７０がピストン６１を引き付けることにより、リテーナリング４０がピストン６１に磁力により固定される。ピストン６１の磁性材としては、例えば、耐蝕性の磁性ステンレスが使用される。なお、ドライブリング４０ｂを磁性材で形成し、ピストン６１に磁石を配置してもよい。

リテーナリング４０は、連結部材７５を介して球面軸受８５に連結されている。この球面軸受８５は、リテーナリング４０の半径方向内側に配置されている。図４は、リテーナリング４０および連結部材７５を示す平面図である。図４に示すように、連結部材７５は、トップリング本体１０の中心部に配置された軸部７６と、この軸部７６に固定されたハブ７７と、このハブ７７からから放射状に延びる複数のスポーク７８とを備えている。スポーク７８の一方の端部は、ハブ７７に固定されており、スポーク７８の他方の端部は、リテーナリング４０のドライブリング４０ｂに固定されている。ハブ７７と、スポーク７８と、ドライブリング４０ｂとは一体に形成されている。キャリア４３には、複数対の駆動ピン８０，８０が固定されている。各対の駆動ピン８０，８０は各スポーク７８の両側に配置されており、キャリア４３の回転は、駆動ピン８０，８０を介してリテーナリング４０に伝達され、これによりトップリング本体１０とリテーナリング４０とは一体に回転する。

図３に示すように、軸部７６は球面軸受８５内を縦方向に延びている。図４に示すように、キャリア４３には、スポーク７８が収容される複数の放射状の溝４３ａが形成されており、各スポーク７８は各溝４３ａ内で縦方向に移動自在となっている。連結部材７５の軸部７６は、トップリング本体１０の中央部に配置された球面軸受８５に縦方向に移動自在に支持されている。このような構成により、連結部材７５およびこれに固定されたリテーナリング４０は、トップリング本体１０に対して縦方向に移動可能となっている。さらに、リテーナリング４０は、球面軸受８５により傾動可能に支持されている。

以下、球面軸受８５についてより詳細に説明する。図５は、球面軸受８５および連結部材７５の一部の拡大断面図である。図５に示すように、軸部７６は、複数のねじ７９によりハブ７７に固定されている。軸部７６には縦方向に延びる貫通穴８８が形成されている。この貫通穴８８は軸部７６が球面軸受８５に対して縦方向に移動する際の空気抜き穴として作用し、これによりリテーナリング４０はトップリング本体１０に対して縦方向にスムーズに移動可能となっている。

球面軸受８５は、連結部材７５を介してリテーナリング４０に連結された中間輪９１と、中間輪９１を上から摺動自在に支持する外輪９２と、中間輪９１を下から摺動自在に支持する内輪９３とを備えている。中間輪９１は、球殻の上半分よりも小さい部分球殻形状を有し、外輪９２と内輪９３との間に挟まれている。

キャリア４３の中央部には凹部４３ｂが形成されており、外輪９２は凹部４３ｂ内に配置されている。外輪９２は、その外周部につば９２ａを有しており、このつば９２ａを凹部４３ｂの段部にボルト（図示せず）により固定することにより、外輪９２がキャリア４３に固定されるとともに、中間輪９１および内輪９３に圧力を掛けることが可能となっている。内輪９３は凹部４３ｂの底面上に配置されており、中間輪９１の下面と凹部４３ｂの底面との間に隙間が形成されるように、中間輪９１を下から支えている。

外輪９２の内面９２ｂ、中間輪９１の外面９１ａおよび内面９１ｂ、および内輪９３の外面９３ａは、支点Ｏを中心とした略半球面から構成されている。中間輪９１の外面９１ａは、外輪９２の内面９２ｂに摺動自在に接触し、中間輪９１の内面９１ｂは、内輪９３の外面９３ａに摺動自在に接触している。外輪９２の内面９２ｂ（摺接面）、中間輪９１の外面９１ａおよび内面９１ｂ（摺接面）、および内輪９３の外面９３ａ（摺接面）は、球面の上半分よりも小さい部分球面形状を有している。このような構成により、中間輪９１は、外輪９２および内輪９３に対して全方向（３６０°）に傾動可能であり、かつ傾動中心である支点Ｏは球面軸受８５よりも下方に位置する。

外輪９２、中間輪９１、および内輪９３には、軸部７６が挿入される貫通孔９２ｃ，９１ｃ，９３ｂがそれぞれ形成されている。外輪９２の貫通孔９２ｃと軸部７６との間には隙間が形成されており、同様に、内輪９３の貫通孔９３ｂと軸部７６との間には隙間が形成されている。中間輪９１の貫通孔９１ｃは、外輪９２および内輪９３の貫通孔９２ｃ，９３ｂよりも小さな直径を有しており、軸部７６は中間輪９１に対して縦方向にのみ移動可能となっている。したがって、軸部７６に連結されたリテーナリング４０は、横方向に移動することは実質的に許容されず、リテーナリング４０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受８５によって固定される。

図６（ａ）は、連結部材７５が球面軸受８５に対して上下動している様子を示し、図６（ｂ）および図６（ｃ）は、連結部材７５が中間輪９１と共に傾動している様子を示している。図６（ａ）乃至図６（ｃ）に示すように、連結部材７５に連結されたリテーナリング４０は、中間輪９１と一体に支点Ｏを中心として傾動可能であり、かつ中間輪９１に対して上下に移動可能となっている。傾動の中心である支点Ｏは、リテーナリング４０の中心軸線上にある。

球面軸受８５は、リテーナリング４０の上下移動および傾動を許容する一方で、リテーナリング４０の横方向の移動（水平方向の移動）を制限する。ウェハの研磨中は、リテーナリング４０はウェハと研磨パッド２との摩擦に起因した横方向の力（ウェハの半径方向外側に向かう力）をウェハから受ける。この横方向の力は球面軸受８５によって受けられる。このように、球面軸受８５は、ウェハの研磨中に、ウェハと研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング４０がウェハから受ける横方向の力（ウェハの半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリング４０の横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリング４０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。

球面軸受８５は、トップリング本体１０の内部に設けられ、かつキャリア４３の凹部４３ｂに収容されているため、球面軸受８５の摺接面からの摩耗粉は、トップリング本体１０内に封じ込められ、研磨面２ａへ落下することがない。

図７は、球面軸受の他の構成例を示す図である。図５に示す部材と同一のものには同一の番号を付す。図７に示す球面軸受１００は、環状の内輪１０１と、内輪１０１の外周面を摺動自在に支持する外輪１０２とを備えている。内輪１０１は、連結部材７５を介してリテーナリング４０に連結されている。外輪１０２は支持部材１０３に固定されており、この支持部材１０３はキャリア４３に固定されている。支持部材１０３はキャリア４３の凹部４３ｂ内に配置されている。

内輪１０１の外周面は、上部および下部を切り欠いた球面形状を有しており、その球面形状の中心点（支点）Ｏ’は、内輪１０１の中心に位置している。外輪１０２の内周面は、内輪１０１の外周面に沿った凹面から構成されており、外輪１０２は内輪１０１を摺動自在に支持している。したがって、内輪１０１は、外輪１０２に対して全方向（３６０°）に傾動可能となっている。

内輪１０１の内周面は、軸部７６が挿入される貫通孔１０１ａを構成している。軸部７６は内輪１０１に対して縦方向にのみ移動可能となっている。したがって、軸部７６に連結されたリテーナリング４０は、横方向に移動することは実質的に許容されず、リテーナリング４０の横方向（水平方向）の位置は球面軸受１００によって固定される。球面軸受８５と同様に、球面軸受１００は、ウェハの研磨中に、ウェハと研磨パッド２との摩擦に起因してリテーナリング４０がウェハから受ける横方向の力（ウェハの半径方向外側に向かう力）を受けつつ、リテーナリング４０の横方向の移動を制限する（すなわちリテーナリング４０の水平方向の位置を固定する）支持機構として機能する。

図８（ａ）は、連結部材７５が球面軸受１００に対して上下動している様子を示し、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、連結部材７５が内輪１０１と共に傾動している様子を示している。連結部材７５に連結されたリテーナリング４０は、内輪１０１と一体に支点Ｏ’を中心として傾動可能であり、かつ内輪１０１に対して上下に移動可能となっている。

図７に示す球面軸受１００は、図５に示す球面軸受８５と同様の機能を有するが、球面軸受１００の傾動中心である支点Ｏ’は、球面軸受８５の支点Ｏよりも高い位置にある。より具体的には、支点Ｏ’は、球面軸受１００の内部に位置している。この構成でも、球面軸受１００は、ウェハと研磨パッド２との摩擦力を受けたリテーナリング４０をスムーズかつ積極的に傾動させることが可能である。球面軸受１００は、球面軸受８５よりも支点の高さが高いために、ウェハと研磨パッド２との摩擦力によってリテーナリング４０を支点周りに傾けるモーメントが大きくなり、研磨中のリテーナリング４０を大きく傾かせることができる。したがって、球面軸受１００を採用することにより、リテーナリング４０の傾きの制御幅を広くすることができ、様々な研磨プロファイルへ調整が可能となる場合がある。

図３に示すように、リテーナリング４０は、トップリング本体１０から半径方向外側に張り出した上面を有している。このリテーナリング４０の上方には、リテーナリング４０の一部に局所荷重を加える局所荷重付与機構１１０が配置されている。図３は局所荷重付与機構１１０の１つの実施形態を示している。この局所荷重付与機構１１０は、トップリングヘッド１６に固定されている。すなわち、研磨中のリテーナリング４０はその軸心回りに回転するが、局所荷重付与機構１１０はリテーナリング４０とは一体に回転せず、その位置は固定である。

リテーナリング４０の外周部上面には、荷重伝達部材１１１が固定されている。この荷重伝達部材１１１の上部には、ガイドリング１１２が固定されている。局所荷重付与機構１１０は、ガイドリング１１２および荷重伝達部材１１１を介してリテーナリング４０の一部に下向きの荷重を与える。荷重伝達部材１１１はリング形状でもよいし、ドライブリング４０ｂの円周方向に沿って設置された複数の円柱でもよい。局所荷重付与機構１１０の下向きの荷重は、ガイドリング１１２から荷重伝達部材１１１を通じてリテーナリング４０に伝達される。局所荷重付与機構１１０の動作は、図１に示す研磨制御部９によって制御される。なお、荷重伝達部材１１１およびガイドリング１１２を設けずに、局所荷重付与機構１１０がリテーナリング４０に直接下向きの局所荷重を与えてもよい。

トップリング１は自身の軸心を中心として回転するが、局所荷重付与機構１１０はトップリングヘッド１６に固定されるためトップリング１と共には回転しない。すなわち、ウェハＷの研磨中、トップリング１およびウェハＷは回転している一方、局所荷重付与機構１１０は所定の位置に静止している。図３では１つの局所荷重付与機構１１０が示されているが、トップリング１の周方向に沿って複数の局所荷重付与機構１１０が設置されてもよい。複数の局所荷重付与機構１１０とトップリング１の軸心との半径方向の距離は互いに同じであってもよいし、異なってもよい。トップリング１の周方向における局所荷重付与機構１１０の設置位置は可変であってもよい。

図３に示される実施形態では、局所荷重付与機構１１０は、エアシリンダ１１４と、エアシリンダ１１４のピストン１１４ａに連結された車輪１１５とから基本的に構成されている。このエアシリンダ１１４は、トップリングヘッド１６に固定されている。車輪１１５はピストン１１４ａの先端に取り付けられており、エアシリンダ１１４によって車輪１１５を下降させたときに車輪１１５がガイドリング１１２に荷重を与えるように構成されている。

車輪１１５はエアシリンダ１１４により上下動可能に構成されている。エアシリンダ１１４は、トップリング１が下降しリテーナリング４０が研磨面２ａに当接している際には、車輪１１５を下降させてリテーナリング４０の一部に下向きの力を局所的に与え、トップリング１が上昇する前に車輪１１５を上昇させてガイドリング１１２から離間させる。エアシリンダ１１４に供給する気体の圧力を変更することにより、車輪１１５がリテーナリング４０へ与える荷重を任意に変更することができる。車輪１１５はその中心に配置された回転しない車輪軸１１６に回転自在に支持されており、車輪軸１１６周りに滑らかに回転可能である。車輪１１５は低摩擦材料で形成され、車輪軸１１６と車輪１１５との間にはボールベアリングなどの軸受を配置することも可能である。

ウェハＷの研磨中、ガイドリング１１２はトップリング１の回転軸周りに回転するが、局所荷重付与機構１１０は回転しない。このために、ガイドリング１１２は局所荷重付与機構１１０に対して相対的に水平方向に移動する。ガイドリング１１２に車輪１１５を押し付けることによりリテーナリング４０には研磨面２ａに対して垂直方向に下向きの局所荷重（力）を与えることが可能である。車輪１１５は低摩擦材料で形成されているためにガイドリング１１２との間に働く摩擦力を極めて小さくすることができる。これにより摩擦力に起因するリテーナリング４０の姿勢変化への影響を極めて小さく抑えることが可能となる。低摩擦材料には、ナイロン、ＰＴＦＥ（四フッ化エチレン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、またＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材料を用いてもよい。あるいは、炭素繊維などの繊維および固体潤滑材を添加した樹脂材料を用いてもよい。

図９に示すように、リテーナリング４０に円筒状の回転カバー１２０を設置し、この回転カバー１２０を囲むように円筒状の静止カバー１２１を設置することが好ましい。回転カバー１２０はリテーナリング４０の外周面に固定され、静止カバー１２１はトップリングヘッド１６に固定されている。回転カバー１２０と静止カバー１２１との間にはシール材１２２が配置されており、トップリング１の上方の空間と研磨面２ａがある研磨空間との間を隔離している。これらのカバー１２０，１２１およびシール材１２２により、研磨液などの飛沫が車輪１１５などの摺動部に付着することや、車輪１１５などからの発塵が研磨面２ａなどへ落下することを防ぐことができる。シール材１２２を用いる代わりに、カバー１２０，１２１が半径方向に重なり合ったラビリンス構造を採用することで、異物の研磨面２ａへの落下や飛沫の研磨空間への浸入を防いでもよい。

リテーナリング４０はトップリング１の回転軸線上に設置された球面軸受８５（または１００）により滑らかに傾動可能、かつトップリング本体１０と独立して上下動可能に支持される。研磨中にウェハＷの摩擦力を受けるリテーナリング４０は、その傾動支点を中心に傾いた状態となっている。すなわち、研磨面２ａ上のリテーナリング４０は、ウェハＷの上流側（研磨面の流入側）では研磨パッド２に沈み込み、ウェハＷの下流側（研磨面の流出側）では浮き上がる方向に傾いた状態となっている。このように傾いた状態のリテーナリング４０に対し、局所荷重付与機構１１０により局所的な荷重を与えることによりリテーナリング４０の傾きを制御することが可能となる。例えば、ウェハＷの下流側にあるリテーナリング４０の部位に局所的な荷重を加えると、研磨中のリテーナリング４０の傾きを小さくすることが可能である。

このようにリテーナリング４０の傾きを制御することにより、リテーナリング４０の面圧分布、研磨パッド２の変形状態、摩擦力によりリテーナリング４０に押し付けられるウェハＷの変形状態、摩擦力を受けるリテーナリング４０の変形状態などが変化し、ウェハエッジ部の研磨プロファイルを変化させることが可能となる。ここで、ウェハＷのエッジ部とは、ウェハＷの最外周端に位置する幅３ｍｍ〜１０ｍｍの領域である。

また、リテーナリング４０の傾きが制御されることにより、リテーナリング４０と研磨面２ａとの間からウェハＷの下面に供給される研磨液の分布も変えられる。これにより、ウェハＷ全面の研磨速度や研磨プロファイルが調整可能となる。リテーナリング４０の押圧は局所荷重付与機構１１０のみで行ってもよいし、リテーナリング押圧機構６０によりリテーナリング４０を均一に押圧し、更に局所荷重付与機構１１０により付加的な局所荷重をリテーナリング４０に加えてもよい。

局所荷重付与機構１１０を使用した研磨プロファイルの調整の一例について説明する。以下の例では、ウェハは次の第１の研磨条件および第２の研磨条件で研磨される。第１の研磨条件は、局所荷重付与機構１１０を使用しないで、リテーナリング押圧機構６０のみでリテーナリング４０を面圧Ｐ１で研磨パッド２に対して押し付けるというものである。第２の研磨条件は、リテーナリング押圧機構６０でリテーナリング４０を面圧Ｐ１で研磨パッド２に対して押し付け、さらに局所荷重付与機構１１０でリテーナリング４０を面圧Ｐ２で研磨パッド２に対して押し付けるというものである。

第２の研磨条件下では局所荷重がリテーナリング４０に与えられるので、第１の研磨条件下での研磨に比べて、リテーナリング４０の姿勢が変更され、特にウェハエッジ部の研磨プロファイルが変更される。第２の研磨条件下では、研磨面２ａに作用するリテーナリング４０の総面圧はＰ１＋Ｐ２であり、第１の研磨条件での面圧Ｐ１よりも大きい。第２の研磨条件において、リテーナリング押圧機構６０による面圧をＰ１からＰ１−Ｐ２に変更すると、研磨面２ａに作用するリテーナリング４０の総面圧はＰ１となる。この総面圧は、第１の研磨条件におけるリテーナリング４０の面圧Ｐ１と同じである。したがって、この場合は、第１の研磨条件と同じリテーナリング４０の面圧を維持しつつ、リテーナリング４０の姿勢を変えた条件下で研磨プロファイルを得ることができる。通常、ウェハのエッジ部の研磨プロファイルを調整する場合には、第２の研磨条件のリテーナリング押圧機構６０による面圧はＰ１−２．５×Ｐ２〜Ｐ１−０．５×Ｐ２の範囲であることが好ましく、より好ましくはＰ１−１．８×Ｐ２〜Ｐ１−１．２×Ｐ２の範囲である。

リテーナリング４０は基板保持面４５ａおよびこれに保持されたウェハＷに対して相対的に傾動可能および上下動可能であり、かつウェハＷとは独立して研磨パッド２を押圧可能となっている。したがって、局所荷重付与機構１１０によりリテーナリング４０の一部を下方に押圧しても、ウェハＷは傾かず、かつ基板保持面４５ａからウェハＷへ加わる圧力は変化しない。したがって、局所荷重付与機構１１０は、リテーナリング４０の姿勢を、ウェハＷの姿勢およびウェハＷに作用する圧力とは独立に制御することができる。すなわち、基板保持面４５ａからウェハＷに加えられる圧力は一定に保ったまま、リテーナリング４０の姿勢制御により研磨プロファイルの調整を行うことが可能となる。

リテーナリング４０は、トップリング１に保持されたウェハＷとともに一体に回転しながら、研磨パッド２に押圧される。このように研磨中はリテーナリング４０およびウェハＷが回転しているので、研磨パッド２の研磨面２ａがリテーナリング４０およびウェハＷに接触する領域は、研磨テーブル３が回転するたびに少しずつ変わる。これにより、研磨パッド２上の特定の領域がウェハＷの特定の領域にのみ接触することが回避され、結果としてウェハＷの表面を均一に研磨することができる。同様の理由から、リテーナリング４０の偏摩耗を防止することができる。

リテーナリング４０の内径はウェハＷの外径よりも大きく形成される。このためトップリング１の回転に伴い、遊星運動によりリテーナリング４０とウェハＷとの周方向の相対位置は少しずつ変化する。これによりリテーナリング４０の平面度の影響をウェハＷの特定の周方向位置に与えることなく平均化することができ、結果としてウェハＷの表面、特に周方向にわたって均一に研磨することが出来る。

図１０は局所荷重付与機構１１０の他の実施形態を示している。特に説明しない本実施形態の構成は、図３に示す実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、局所荷重付与機構１１０はリテーナリング４０の一部に上向きの局所荷重（力）を研磨面２ａに対して垂直方向に与えるように構成されている。図１０に示すように、荷重伝達部材１１１に支持されているガイドリング１１２は、トップリング１の半径方向内側に張り出した環状突出部１１２ａを有している。局所荷重付与機構１１０は、環状突出部１１２ａの下面に接触する車輪１１５と、この車輪１１５を上昇させるエアシリンダ１１４とを有している。

車輪１１５は車輪軸１１６に回転自在に支持され、車輪軸１１６はエアシリンダ１１４のピストン１１４ａに取り付けられている。車輪１１５は、車輪軸１１６を介してエアシリンダ１１４に連結されている。エアシリンダ１１４は、車輪１１５を上昇させて環状突出部１１２ａを下から押し上げることにより、研磨面２ａに対して垂直な上向きの局所荷重をリテーナリング４０の一部に付与する。この実施形態に係る局所荷重付与機構１１０でも、図３に示す局所荷重付与機構１１０と同等の効果を発揮することができる。

図１０に示される局所荷重付与機構１１０を使用した研磨プロファイルの調整の一例について説明する。以下の例では、ウェハは次の第１の研磨条件および第２の研磨条件で研磨される。第１の研磨条件は、局所荷重付与機構１１０を使用しないで、リテーナリング押圧機構６０のみでリテーナリング４０を面圧Ｐ１で研磨パッド２に対して押し付けるというものである。第２の研磨条件は、リテーナリング押圧機構６０でリテーナリング４０を面圧Ｐ１で研磨パッド２に対して押し付け、さらに局所荷重付与機構１１０でリテーナリング４０の研磨パッドに対する面圧がＰ２だけ減少するように上向きの局所荷重を与えるというものである。

第２の研磨条件下では局所荷重がリテーナリング４０に与えられるので、第１の研磨条件下での研磨に比べて、リテーナリング４０の姿勢が変更され、特にウェハエッジ部の研磨プロファイルが変更される。第２の研磨条件下では、研磨面２ａに作用するリテーナリング４０の総面圧はＰ１−Ｐ２であり、第１の研磨条件での面圧Ｐ１よりも小さい。第２の研磨条件において、リテーナリング押圧機構６０による面圧をＰ１からＰ１＋Ｐ２に変更すると、研磨面２ａに作用するリテーナリング４０の総面圧はＰ１となる。この総面圧は、第１の研磨条件におけるリテーナリング４０の面圧Ｐ１と同じである。したがって、この場合は、第１の研磨条件と同じリテーナリング４０の面圧を維持しつつ、リテーナリング４０の姿勢を変えた条件下で研磨プロファイルを得ることができる。通常、ウェハのエッジ部の研磨プロファイルを調整する場合には、第２の研磨条件のリテーナリング押圧機構６０による面圧はＰ１＋０．５×Ｐ２〜Ｐ１＋２．５×Ｐ２の範囲であることが好ましく、より好ましくはＰ１＋１．２×Ｐ２〜Ｐ１＋１．８×Ｐ２の範囲である。

図１１は局所荷重付与機構１１０の他の実施形態を示している。図１１に示すトップリング１の構成は、図３に示すトップリング１の構成と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、図３に示されるガイドリング１１２の代わりに永久磁石１３０が設けられ、車輪１１５の代わりに電磁石１３１が設けられている。永久磁石１３０は、リテーナリング４０に固定された荷重伝達部材１１１に支持されている。電磁石１３１は、リテーナリング４０の上方に設置された永久磁石１３０に対向するように配置される。局所荷重付与機構１１０は、これらの電磁石１３１と永久磁石１３０との間に作用する磁力によりリテーナリング４０の一部に上下方向の局所荷重を与えることが可能となっている。

永久磁石１３０と同じ磁極の磁力を電磁石１３１に発生させた場合にはリテーナリング４０に対し下向きの局所的な荷重（反発力）を与えることができ、永久磁石１３０と逆の磁極の磁力を電磁石１３１に発生させた場合にはリテーナリング４０に対し上向きの局所的な荷重（引力）を与えることが可能である。このように、電磁石１３１は、下向きの荷重および上向きの荷重を選択的にリテーナリング４０の一部に与えることができる。リテーナリング４０に加えられる力を調整することによりリテーナリング４０の姿勢を変更することが可能であり、ウェハＷの研磨プロファイル、特にウェハエッジ部の研磨プロファイルを調整することが可能となる。なお、本実施形態ではリテーナリング４０の上方に永久磁石１３０を設置したが、永久磁石１３０の代わりに磁性体を設置し、電磁石１３１により磁性体を引き付けることによりリテーナリング４０へ上向きの局所的な荷重（力）を与えることも可能である。

電磁石１３１はトップリングヘッド１６に連結された昇降機構１３３に支持されている。昇降機構１３３にはエアシリンダ、またはボールねじとサーボモータを用いた機構などが使用される。以下説明するように電磁石１３１の下降位置を精密に制御する場合には、ボールねじとサーボモータを用いた機構を用いるのが好ましい。

リテーナリング４０が研磨面２ａに当接している状態で、昇降機構１３３により電磁石１３１を永久磁石１３０に近接した位置まで下降させ、電磁石１３１を起動しリテーナリング４０の一部に対して局所的な力を与える。リテーナリング４０に加える力は、電磁石１３１に発生させる磁力、および／または永久磁石１３０と電磁石１３１との距離を変えることにより変更することが可能である。永久磁石１３０と電磁石１３１との距離と、電磁石１３１に入力される電流と、入力電流および距離に対応する磁力との関係を予め取得しておくことにより、電磁石１３１により発生させる磁力の大きさを、電磁石１３１への入力電流と、永久磁石１３０と電磁石１３１との距離から決定することができる。

本実施形態のように局所荷重付与機構１１０に磁力を用いる場合、磁気が他の場所に影響を及ぼすのを避けるために、トップリング本体１０などトップリング１の各部位に磁気シールド材を使用したり、トップリング１の各部位を磁気シールド材でコーティングしたりしてもよい。磁気が及ぼす影響としては、ウェハの微細な電気配線に大きな誘導電流が流れ、半導体デバイスが破壊されてしまうこと、研磨面側から金属膜の膜厚信号を取得している渦電流センサの精度に影響を及ぼすことなどが挙げられる。

通常、ウェハＷを研磨するごとにダイヤモンド粒子などを使用したドレッサで研磨パッド２の研磨面２ａのコンディショニングが行われる。したがってウェハＷを研磨するごとに研磨パッド２が減耗していき、電磁石１３１と永久磁石１３０との距離は徐々に大きくなっていく。リテーナリング４０も、ウェハＷの研磨中に研磨パッド２に摺接されるため、リテーナリング４０のパッド接触面は徐々に摩耗していく。この場合にも電磁石１３１と永久磁石１３０との距離は徐々に大きくなっていく。リテーナリング４０に加えられる局所荷重は、永久磁石１３０と電磁石１３１との隙間に大きく依存するため、消耗品である研磨パッド２およびリテーナリング４０の高さ変化にかかわらずこの隙間を一定に保つことは非常に重要である。例えば、研磨パッド２の高さがΔＨだけ低くなった場合は、昇降機構１３３により電磁石１３１の位置はΔＨだけ下げられる。特開２００６−１２８５８２号公報および特開２００６−２５５８５１公報に開示される研磨パッドやリテーナリングの減耗量測定手法を用いて、永久磁石１３０と電磁石１３１との隙間の変化を求めてもよい。

研磨パッド２が摩耗するに従って、ウェハＷの研磨時のトップリング１の高さ（以下、研磨位置という）を変更する必要がある。このトップリング１の研磨位置は、上下動機構２７によって調整することが可能である。トップリング１の研磨位置の変更に応じて電磁石１３１の下降位置が調整される。

本実施形態では、トップリングヘッド１６と昇降機構１３３との間にロードセル１３５が設置されている。このロードセル１３５は、リテーナリング４０に加えられる局所荷重に従って変化する力を計測可能となっている。局所荷重に従って変化する力とは、磁石１３０，１３１間の反発力からロードセル１３５に吊り下げられた昇降機構１３３や電磁石１３１などの機器の重力を引いた力である。機器の重さは予め計測される。ロードセル１３５によって測定される力は、リテーナリング４０に加えられる局所荷重と同じ変化率で変化する。ロードセル１３５の計測値に機器の重さを加算することにより、研磨中実際に局所荷重付与機構１１０からリテーナリング４０に加えられている荷重を決定することができる。

計測結果が所望の荷重と異なる場合には、電磁石１３１に入力する電流を制御して磁力を調整することが可能である。永久磁石１３０の磁力は経時変化する場合も考えられる。磁力変化を補正するために、研磨を行っていない間に電磁石１３１を作動させ、その時のリテーナリング４０への荷重を算出し、設定された初期荷重と現在の荷重との差をなくすための電磁石１３１への入力電流を補正し、それ以降のウェハＷの研磨時に補正した電流値を使用することも可能である。図３にはロードセルは示されていないが、図３でも同様にトップリングヘッド１６とエアシリンダ１１４との間にロードセルを設置し、実際の荷重を算出し、荷重の初期値からの変化量に基づいてエアシリンダ１１４の押圧力を補正することも可能である。

図１１に示す実施形態では、局所荷重付与機構１１０は、非接触でリテーナリング４０に力を与えることが可能であるため、図３のガイドリング１１２と車輪１１５のような摺動要素が存在しない。したがって、図９に示すようなトップリング１を覆うカバー１２０，１２１が不要となり、トップリング１の消耗品交換などのメンテナンスが非常に容易となる。永久磁石１３０にはネオジム磁石などが用いられる。永久磁石１３０として、一体で形成されたリング状の永久磁石でもよいし、分割された複数の永久磁石を整列してリング状に形成してもよいし、リング状の部材に複数の永久磁石を埋設してもよい。永久磁石１３０の表面はコーティングやめっきなどにより防食されていることが好ましい。コーティングやめっきの代わりに磁性ステンレスなどの耐食性の磁性体で永久磁石１３０を覆ってもよい。

図１２は図１１の電磁石１３１の代わりに永久磁石１４０を設置した実施形態を示している。永久磁石１３０，１４０の間に反発力が発生するように、永久磁石１４０は、荷重伝達部材１１１に支持された永久磁石１３０に対向して配置される。この実施形態では、昇降機構１３３にエアシリンダが用いられている。エアシリンダ１３３は、２つの永久磁石１３０，１４０の隙間が極小となったときの最大反発力よりも小さい力で永久磁石１４０を下降させる。これは、上側の永久磁石１４０が下側の永久磁石１３０に接触してしまうのを避けるためである。

２つの永久磁石１３０，１４０間の隙間が大きい場合には、永久磁石間の反発力よりもエアシリンダ１３３の下向きの力が大きいために上側の永久磁石１４０は下降する。２つの永久磁石１３０，１４０間の隙間が小さくなり、その反発力がエアシリンダ１３３の下向きの力と釣り合ったときに永久磁石１４０の下降が停止する。このとき、エアシリンダ１３３の下向きの力に相当する荷重がリテーナリング４０に加えられることとなる。したがって、エアシリンダ１３３に入力する気体の圧力を変更することによりリテーナリング４０へ加える荷重を調整することが可能となる。

図１１および図１２では磁力を使用した局所荷重付与機構１１０の実施形態を示したが、局所荷重付与機構１１０は上述の例に限られるものではなく、例えばリテーナリング４０の上面側に電磁石を設置することや、電磁石とエアシリンダの組み合わせで局所荷重付与機構１１０を構成することも可能である。

図１３はトップリング１の他の実施形態を示している。局所荷重付与機構１１０として、図３に示すエアシリンダ１１４と車輪１１５が使用されている。これに代えて、図１１および図１２に示す磁力を使用した局所荷重付与機構１１０を用いることも可能である。本実施形態の特に説明しない構成は、図３に示す構成と同様である。

トップリング本体１０は、トップリングベース１５０と、弾性膜４５を保持するキャリア４３とから基本的に構成されている。弾性膜４５の下面は、ウェハＷを保持する基板保持面４５ａを構成する。球面軸受１５５は、トップリングベース１５０と駆動フランジ１５８との間に設けられており、トップリングベース１５０は駆動フランジ１５８に対して自由に傾動可能となっている。球面軸受１５５は、セラミックなどの硬質のボールから構成されている。

リテーナリング４０はトップリングベース１５０に固定されており、リテーナリング４０はトップリングベース１５０と一体に傾動可能となっている。駆動フランジ１５８はトップリングシャフト１１の下端に固定されており、トップリングシャフト１１とともに駆動フランジ１５８が回転するようになっている。駆動フランジ１５８の回転は、トップリングベース１５０に固定された複数のトルク伝達ピン（図示せず）を介してトップリングベース１５０に伝達される。

キャリア４３は、トップリングベース１５０から分離しており、弾性膜１６０を介してトップリングベース１５０に連結されている。キャリア４３は、トップリングベース１５０に対して上下動可能であり、かつ傾動可能となっている。キャリア４３、トップリングベース１５０、および弾性膜１６０によって圧力室１６１が形成されており、この圧力室１６１に圧力調整装置６５（図３参照）から加圧流体を供給することによって、キャリア４３、弾性膜４５、およびウェハＷを下降させることができ、さらに圧力調整装置６５により圧力室１６１に負圧を形成することによって、キャリア４３、弾性膜４５、およびウェハＷを上昇させることができる。

トップリングベース１５０およびリテーナリング４０は、球面軸受１５５により駆動フランジ１５８に対して全方向（３６０°）に傾動可能となっている。この球面軸受１５５の傾動中心は、リテーナリング４０の中心軸線上にある。駆動フランジ１５８およびトップリングベース１５０は、ステンレス鋼やアルミニウムなどの金属またはセラミックなどの比較的剛性の高い材料で形成されていることが望ましい。

トップリングシャフト１１の下向きの荷重およびトルクは、駆動フランジ１５８を通じてトップリングベース１５０に伝達される。すなわち、トップリングシャフト１１の下向きの荷重は、駆動フランジ１５８および球面軸受１５５を介してトップリングベース１５０に伝達され、トップリングシャフト１１のトルクは、駆動フランジ１５８およびトルク伝達ピン（図示せず）を介してトップリングベース１５０に伝達される。本実施形態では、図３に示すリテーナリング押圧機構６０は設けられていない。したがって、リテーナリング４０は、トップリングベース１５０と一体に傾動し、回転し、かつ上下動する。

局所荷重付与機構１１０は、リテーナリング４０およびトップリングベース１５０の上方に配置されている。局所荷重付与機構１１０は、トップリングベース１５０を介してリテーナリング４０の一部に下向きの局所荷重を与える。リテーナリング４０は、弾性膜４５の基板保持面４５ａに保持されたウェハＷと一体に回転するが、基板保持面４５ａとは独立して傾動することが可能である。したがって、局所荷重付与機構１１０によりリテーナリング４０の一部を下方に押圧しても、基板保持面４５ａに保持されたウェハＷの姿勢は変化しない。

ウェハＷの研磨中、弾性膜４５とキャリア４３との間に形成される圧力室、すなわち、センター室５０、リプル室５１、アウター室５２、およびエッジ室５３には、加圧流体が供給される。したがって、トップリング本体１０は、これら圧力室５０〜５３から上向きの反力を受ける。リテーナリング４０が研磨パッド２に与える荷重は、駆動フランジ１５８を通じてトップリングベース１５０に加えられる下向きの荷重からこの上向きの反力を引いた荷重となる。上述した上下動機構２７（図２参照）からトップリングシャフト１１に与えられる下向きの荷重を変更することにより、リテーナリング４０の研磨パッド２に対する荷重を変更することが可能である。この実施形態では、上下動機構２７として、ボールねじとサーボモータの組み合わせに代えて、エアシリンダを用いてもよい。

図１３に示すトップリング１と、図１１または図１２に示す磁力を用いた局所荷重付与機構１１０とを組み合わせた場合では、研磨パッド２および／またはリテーナリング４０の摩耗に起因する永久磁石１３０と電磁石１３１との隙間の変化は、トップリング１の高さの測定値から求めることができる。具体的には、トップリング１の高さの初期の測定値と現在の測定値との差分から、永久磁石１３０と電磁石１３１との隙間の変化を決定することができる。図１に示すように、トップリングヘッド１６には、トップリング高さセンサ３９が設けられている。このトップリング高さセンサ３９は、トップリング１と一体に上下動するブリッジ２８の位置からトップリング１の高さを測定する。

先述の実施形態と同様に、研磨中にリテーナリング４０にかかる横方向の力（ウェハＷと研磨パッド２との摩擦力）は、球面軸受１５５により受けられる。球面軸受１５５を用いた本実施形態によれば、研磨面２ａに対するトップリングシャフト１１の垂直度にわずかなずれがあった場合でも、トップリングベース１５０は球面軸受１５５により傾動して研磨面２ａに追従する。さらに、研磨時に生じるウェハＷと研磨面２ａとの摩擦力を受けて、トップリングベース１５０およびリテーナリング４０はスムーズに傾く。トップリングベース１５０は金属やセラミックなどの比較的剛性の高い材料で形成されるので、トップリングベース１５０の変形の影響を小さく抑え、球面軸受１５５によりトップリングベース１５０をスムーズに傾動させることが可能である。

キャリア４３は、トップリングベース１５０から分離しており、弾性膜１６０を介してトップリングベース１５０に連結されている、いわゆるフローティングされた状態となっている。上述のように構成されたトップリング１によれば、リテーナリング４０は基板保持面４５ａおよびこれに保持されたウェハＷと独立して傾動可能であり、かつ独立して研磨パッド２を押圧可能となっている。したがって、局所荷重付与機構１１０によりリテーナリング４０の一部を下方に押圧しても、ウェハＷは傾かず、かつ弾性膜４５の基板保持面４５ａからウェハＷへ加わる圧力は変化しない。したがって、局所荷重付与機構１１０は、リテーナリング４０の姿勢を、ウェハＷの姿勢およびウェハＷに作用する圧力とは独立に制御することができる。すなわち、基板保持面４５ａからウェハＷに加えられる圧力は一定に保ったまま、リテーナリング４０の姿勢制御により研磨プロファイルの調整を行うことが可能となる。

リテーナリング４０は、トップリング１に保持されたウェハＷとともに一体に回転しながら、研磨パッド２に押圧される。このように研磨中はリテーナリング４０およびウェハＷが回転しているので、研磨パッド２の研磨面２ａがリテーナリング４０およびウェハＷに接触する領域は、研磨テーブル３が回転するたびに少しずつ変わる。これにより、研磨パッド２上の特定の領域がウェハＷの特定の領域にのみ接触することが回避され、結果としてウェハＷの表面を均一に研磨することができる。同様の理由から、リテーナリング４０の偏摩耗を防止することができる。

リテーナリング４０の内径はウェハＷの外径よりも大きく形成される。このためトップリング１の回転に伴い、遊星運動によりリテーナリング４０とウェハＷとの周方向の相対位置は少しずつ変化する。これによりリテーナリング４０の平面度の影響をウェハＷの特定の周方向位置に与えることなく平均化することができ、結果としてウェハＷの表面、特に周方向にわたって均一に研磨することが出来る。

図１４は、研磨面２ａの上方から見た位置関係を示した図である。ウェハＷの中心と研磨面２ａの中心を結んだ線を仮想線ＶＬと定義すると、研磨面２ａは、その回転方向に関して仮想線ＶＬの上流側と、仮想線ＶＬの下流側とに分けることができる。仮想線ＶＬの上流側および仮想線ＶＬの下流側は、言い換えれば、研磨面２ａの移動方向に関してウェハＷの上流側および下流側である。図１４では、回転方式の研磨面について説明しているが、ベルト方式などのウェハＷ面内で研磨面の速度が一定となるような研磨装置ではより容易に上流側および下流側を定義可能である。

図１４に示す円Ｓは、ウェハＷの中心を通る研磨面２ａの回転軌跡を表している。円Ｓのウェハ中心での接線Ｔとウェハ円との２つの交点のうち、上流側の交点を角度０度とし、下流側の交点を角度１８０度とする。仮想線ＶＬとウェハ円との２つの交点のうち研磨面中心側の交点を角度２７０度、研磨面外周側の交点を角度９０度とする。ここで、ウェハ円とは、ウェハＷの外周縁である。

研磨中、ウェハＷの摩擦力を受けるリテーナリング４０は、下流側、すなわち角度１８０度付近で浮き上がった状態となっている。逆に、上流側、すなわち角度０度付近ではリテーナリング４０は研磨パッド２に沈み込んだ状態となっている。したがって、リテーナリング４０の下流側部分に局所荷重付与機構１１０から下向きの局所的な荷重を加えた場合にリテーナリング４０の姿勢を変える効果が大きく、研磨プロファイルを効果的に制御することが可能である。また、研磨中は、ウェハＷは研磨面２ａとの摩擦力を受けてリテーナリング４０の内周面に押し付けられた状態となっているので、下流側においてリテーナリング４０とウェハＷとの隙間が最も小さくなっている。したがって、局所荷重付与機構１１０は、下流側でリテーナリング４０への下向きの局所荷重を増加させることにより、パッドリバウンドの影響を顕著にウェハＷに与えられる。これとは逆に、局所荷重付与機構１１０から上向きの局所荷重をリテーナリング４０に与える場合には、上流側部分で上向きの局所荷重を与えるとリテーナリング４０の姿勢を変える効果が大きく、研磨プロファイルを効果的に制御することが可能である。

ウェハＷと研磨面２ａとの摩擦力が大きいプロセス条件においては、下流側でのリテーナリング４０の浮き上がりが大きくなり、ウェハＷがトップリング１から滑り出てしまうことがある。このような問題も、リテーナリング４０の下流側部分に局所的な下向き荷重を加えることにより、下流側でのリテーナリング４０の浮き上がりを減少させることで解決することができる。したがって、安全にウェハＷを研磨することが可能となる。さらに、従来は適用が困難であったウェハＷへ高荷重を加える条件や、研磨パッド２、研磨液、ウェハＷなどの組み合わせにより高摩擦となるような条件でも安全に研磨可能となる。

研磨液は研磨面２ａの回転に伴い、上流側からトップリング１内へ流入する。したがって、リテーナリング４０の下流側部分を押圧して上流側部分の研磨パッド２への沈み込み量を減少させると、研磨液のトップリング１内への流入が容易になり、効果的に研磨液を使用して研磨することが可能となる。これにより研磨レートが上昇し、研磨液の使用量を削減することが可能となり、さらには研磨温度の上昇を抑えることが可能となる。しかも、研磨液がより豊富な状態でウェハＷが研磨されるのでスクラッチなどの研磨後ウェハＷの欠陥を減らすことが可能となり、さらには研磨後ウェハＷの表面段差を減少させることが可能となる。したがって、多くの場合には下向きの局所荷重を与える局所荷重付与機構１１０は下流側に設置するのが好ましく、より好ましくは１８０度±６０度の範囲に設置する。

しかし、上述したように、近年では半導体デバイスの種類、消耗材の種類が飛躍的に増加しており、製品の歩留まり向上のために様々な形状の研磨プロファイルの制御性が必要となっている。リテーナリング４０への局所荷重の位置を変更すると、研磨プロファイルの変化の仕方が変わる。したがって、研磨プロファイルは、局所荷重付与機構１１０の設置位置により様々に変えることが可能である。特定のプロセスでは２７０度±６０度や９０度±６０度、または０度±６０度がより好ましい設置位置に選択されることもある。

このような様々な研磨プロファイルに対する要求に対応するために、局所荷重付与機構１１０を移動可能に設置してもよい。図１５に示す実施形態では、トップリングヘッド１６に設置された環状の移動機構１７０により、局所荷重付与機構１１０はトップリング１の回転中心周りに３６０度移動可能となっている。したがって、移動機構１７０により、局所荷重付与機構１１０の位置を所望の場所に変更することが可能である。移動機構１７０としては、例えば曲線運動が可能なモーションガイド機構、および局所荷重付与機構１１０を駆動するサーボモータなどを使用して構成されることが可能である。ウェハの研磨レシピにしたがって局所荷重付与機構１１０の位置を設定し、変更することも可能である。

図１５に示す移動機構１７０に代えて、ねじなどの締結具によりトップリングヘッド１６上の所定の複数の箇所から選択された所望の箇所に局所荷重付与機構１１０を取り付けてもよい。この構成では、局所荷重付与機構１１０は、締結具によりトップリングヘッド１６に着脱可能に取り付けられる。移動機構１７０および締結具を用いた設置位置を変更可能とする構成は、図１１乃至図１３に示す実施形態にも適用可能である。

複数の局所荷重付与機構１１０をトップリング１の周方向に沿って設置することも可能である。例えば、局所荷重付与機構１１０を下流側（角度１８０度）および研磨面中心側（角度２７０度）の２箇所に設置してもよい。この場合、研磨面２ａに平行な互いに直交する２軸周りにリテーナリング４０の姿勢制御が可能となる。したがって、局所荷重付与機構１１０が１つの場合に比べて、研磨プロファイル制御の適用可能範囲が飛躍的に広がる。

磁力の反発力および引力の組み合わせを使用した局所荷重付与機構１１０は、研磨プロファイル制御の適用可能範囲が広いという利点がある。エアシリンダによる下向き荷重や、磁石の反発力のみを使用する場合には、少なくとも３つの局所荷重付与機構１１０を設置するのが好ましい。エアシリンダを使用した局所荷重付与機構１１０を下流側（角度１８０度）および研磨面中心側（角度２７０度）の２箇所に設置した場合、研磨面中心側の局所荷重付与機構１１０によりリテーナリング４０が研磨パッド２の中心側領域に沈み込むようにリテーナリング４０の姿勢を変更可能であるが、研磨パッド２の外周側領域に沈み込むようにリテーナリング４０に局所荷重を与えることは出来ない。この様な場合には、下流側（角度１８０度）および研磨面中心側（角度２７０度）の２箇所に加えて、研磨面外周側（角度９０度）にも局所荷重付与機構１１０を設置することが好ましい。また、局所荷重付与機構１１０を１２０度ピッチで３箇所に設置してもよい。複数の局所荷重付与機構１１０を図１５の移動機構１７０と組み合わせて設置位置を変更可能とすることも可能である。

局所荷重付与機構１１０の設置位置およびリテーナリング４０に対する局所荷重を調整することにより、様々な研磨プロファイルを実現することが可能となり、非常に多くの種類の半導体デバイスの歩留まりを向上させることが可能となる。

図１６に示される実施形態においては、局所荷重付与機構１１０に加えて、リテーナリング高さセンサ１７５がトップリングヘッド１６に固定されている。このリテーナリング高さセンサ１７５によりリテーナリング４０の鉛直方向の変位（すなわち、リテーナリング４０の高さ）が計測可能となっている。図１６には図示されていないが、局所荷重付与機構１１０は、上述したエアシリンダを用いるタイプ、電磁石と永久磁石との組み合わせを用いるタイプ、永久磁石同士の組み合わせを用いるタイプ、およびこれら以外のタイプのいずれでもよい。

ガイドリング１１２のセンサターゲット面は、局所荷重付与機構１１０が局所荷重を与える箇所と共通でもよいし、別の箇所でもよい。センサターゲット面は通常は平坦に形成しておく。リテーナリング高さセンサ１７５としては接触式の変位計が使用可能ではあるが、レーザ変位計など非接触でリテーナリング４０の高さを計測する非接触式変位センサを使用することが望ましい。これは、接触式変位計を使用した場合、センサ測定子とガイドリング１１２との接触部からの発塵が研磨面２ａに落下し、研磨ウェハの欠陥につながる可能性があること、およびセンサ測定子がガイドリング１１２に接触し、リテーナリング４０に下向きの荷重を与えることによりリテーナリング４０の姿勢が変化してしまう可能性があるためである。

上述した図１１および図１２に示す実施形態では、研磨パッド２および／またはリテーナリング４０の減耗量は特開２００６−１２８５８２号公報および特開２００６−２５５８５１号公報に開示される研磨パッドやリテーナリングの減耗量測定手法を用いて測定される。研磨中のリテーナリング４０の高さの変化量は、測定された各減耗量から研磨制御部９によって算出される。研磨制御部９は、リテーナリング４０の高さの変化量を局所荷重付与機構１１０の昇降機構１３３へフィードバックして、磁石間の隙間を一定に保つようにしている。図１６に示すリテーナリング高さセンサ１７５を設ける場合には、研磨制御部９はセンサ１７５の測定値から求められるリテーナリング４０の高さ変化量を昇降機構１３３へフィードバックしてもよい。さらに、リテーナリング４０の高さの測定結果に基づいて、研磨中または次のウェハの研磨で適用されるリテーナリング４０に対する局所荷重の大きさおよび／または局所荷重の位置（すなわち局所荷重付与機構１１０の位置）を変更してもよい。次のウェハの研磨で適用される局所荷重の位置を変更する場合には、次のウェハの研磨前に事前に局所荷重の位置を変更することが好ましい。複数の局所荷重付与機構１１０が設置されている場合には、動作する局所荷重付与機構１１０を変更することで局所荷重の位置を変更することができる。また、複数の局所荷重付与機構１１０を動作させ、それぞれの局所荷重付与機構１１０による局所荷重の大きさの比を変更することによっても、局所荷重付与機構１１０の位置を変更するのと同様の効果を得ることができる。

１つのリテーナリング高さセンサ１７５を設置する場合には、リテーナリング高さセンサ１７５の測定値（すなわち、測定されたリテーナリング４０の高さ）が所定のしきい値以下となるように局所荷重付与機構１１０を作動させてもよい。リテーナリング高さセンサ１７５の設置箇所によっては測定値がしきい値以上になるように作動させてもよいし、所定の範囲内に入るように作動させてもよい。

リテーナリング高さセンサ１７５は、トップリング１の周方向に沿って複数設置するのが望ましい。リテーナリング高さセンサ１７５を２箇所に設置する場合には、通常は２つのリテーナリング高さセンサ１７５をトップリング１の中心軸に関して対称の位置に配置する。好ましくは、２つのリテーナリング高さセンサ１７５をトップリング１の中心軸に関して上流側と下流側に設置する。このようにして２箇所のリテーナリング高さセンサ１７５から得られた２つの測定値から、２つの位置でのリテーナリング４０の高さの差を算出することができる。研磨制御部９は、この高さの差が所望の範囲内になるように局所荷重付与機構１１０の動作を制御する。より好ましくは、研磨制御部９がリテーナリング４０の傾き平面を算出できるようにするために、少なくとも３つのリテーナリング高さセンサ１７５をトップリング１の周方向に沿って設置する。そして、リテーナリング４０の所望の傾き面を実現するために、研磨制御部９により局所荷重付与機構１１０の動作を制御する。算出された傾き平面が所望の傾き平面と異なっている場合には、局所荷重付与機構１１０からリテーナリング４０に付与する力を調整する。

傾き面を所望の平面に制御することに代えて、傾き面から算出される他の指標を用いて制御を行ってもよい。例えば、最大傾き量、および最大傾き位置を所望の範囲に調整することを行ってもよい。ここで最大傾き量とは、傾き面内でリテーナリング４０が最も高くなっている高さと最も低くなっている高さとの差であり、最大傾き位置とはリテーナリング４０が最も高くなっている位置である。例えば、最大傾き量が０．０５ｍｍ、最大傾き位置が角度１８０度と研磨制御部９により検出された場合に、所望の最大傾き量０．０３ｍｍ±０．０２ｍｍ、最大傾き位置角度２７０度±３０度の範囲になるように１つまたは複数の局所荷重付与機構１１０を調整することなどが行われる。局所荷重付与機構１１０にリテーナリング高さ測定機能を付加してもよい。より具体的には、局所荷重付与機構１１０がリテーナリング高さセンサを備えてもよい。

局所荷重付与機構１１０の望ましい設置位置（押圧位置）の決定方法について以下に記述する。図１７は局所荷重付与機構１１０の押圧位置決定のフローチャートを示している。ステップ１では、局所荷重付与機構１１０でリテーナリング４０を押圧しながらウェハを研磨する。ステップ２では、局所荷重付与機構１１０を移動し、ステップ１とは異なる位置で局所荷重付与機構１１０によりリテーナリング４０を押圧しながら別のウェハを研磨する。ステップ１とステップ２を必要な回数だけ繰り返す。ステップ３では、各押圧位置での研磨結果を取得する。ステップ４では、研磨結果から望ましい局所押圧位置を決定する。

「研磨結果」の代表的な例としては、研磨レート分布の面内均一性、残膜厚分布の面内均一性、ウェハエッジでの研磨プロファイル、研磨レート、研磨温度、研磨されたウェハ上のスクラッチや異物などの欠陥、研磨されたウェハのディッシング、エロージョンなどに代表される平坦化特性、ウェハと研磨面２ａとの摩擦力、この摩擦力に起因して変化する研磨テーブル回転モータ１３の駆動電流などが挙げられる。このように「研磨結果」には、研磨装置内に設けられたセンサや膜厚測定器などで測定、算出可能な項目や、欠陥検査装置など研磨装置外に設けられた計測器により取得可能な項目も含まれる。

図１８は、局所荷重付与機構の押圧位置の決定方法を説明するための参考例を示す図である。この参考例では、９０度、１８０度、２７０度の各押圧位置で局所荷重付与機構１１０を作動させた例を示している（フローチャートのステップ３に対応）。押圧位置は３箇所より少なくても多くてもよい。図１８の「研磨結果」は残膜厚分布の面内均一性を表している。図１８から分かるように、押圧位置１８０度で最も面内均一性が小さくなっている。一般的に面内均一性は小さい方が望ましいために、このプロセスにおいては角度１８０度が望ましい押圧位置として決定される（フローチャートのステップ４）。研磨結果を線形補間や曲線近似などで補間して望ましい押圧位置を決定してもよい。図１８の例では研磨結果を２次式で近似した曲線も併せて示している。この曲線を参照すると、研磨結果が最小となる押圧位置は、角度１８０度よりもやや大きい角度ということが分かる。この様にして望ましい押圧位置を決定してもよい。

図１９は、局所荷重付与機構の押圧位置の決定方法を説明するための参考例を示す図である。図１９に示す参考例では、研磨条件は局所荷重付与機構１１０がリテーナリング４０に加える局所荷重であり、条件１，２，３は異なる局所荷重を表しており、研磨結果は残膜厚分布の面内均一性を表している。

図１９から分かるように、研磨条件を条件１，２，３で変更したときの研磨結果の変化量は、押圧位置１８０度で大きくなっている。それに対し、押圧位置９０度や２７０度では、異なる研磨条件の下での研磨結果の変化量は小さくなっている。より具体的には、９０度では全体的に研磨結果が大きく、２７０度では全体的に研磨結果が小さくなっている。一般的には残膜厚分布の面内均一性は小さいほうが望ましいために、小さい研磨結果で安定している押圧位置２７０度が選択される場合がある。

押圧位置１８０度では研磨条件によって面内均一性が大きく変化している。これは研磨条件によって研磨プロファイルが大きく変化することを意味する。したがって、様々な種類の半導体デバイスを研磨する場合など、研磨プロファイルの調整可能範囲を大きく確保したい場合には、角度１８０度が望ましい位置として選択される場合もある。上述の補間手法などを用いて実際に研磨結果を取得した位置からずれた位置を望ましい位置として選択することもできる。

研磨パッド２などの消耗部材の使用時間に応じて望ましい局所荷重付与機構１１０の押圧位置や荷重を決定してもよい。例えば、研磨パッド２の耐用期間の初期段階、中期段階、末期段階ごとに望ましい押圧位置および荷重を予め決定しておき、研磨パッド２の使用時間に応じて押圧位置や荷重を変更していくことも可能である。研磨装置の他の消耗部材としてはリテーナリング４０、弾性膜４５、ドレッサなどが挙げられる。

１つの研磨装置内でウェハを２段階で研磨する場合がある。例えば、第１研磨段階で比較的高い圧力をウェハに加えてウェハの表面段差を除去し、次の第２研磨段階で圧力を下げてウェハを研磨し、ディッシングなどの局所的な過研磨を低減させることにより研磨後の表面段差を低減することが行われる。この様な場合、第１研磨段階と第２研磨段階とで局所荷重付与機構１１０の望ましい押圧位置や荷重を変更してもよい。例えば、第１研磨段階では第１の押圧位置でリテーナリング４０に第１の局所荷重を与え、第２研磨段階では、第１の押圧位置とは異なる第２の押圧位置でリテーナリング４０に第１の局所荷重とは異なる第２の局所荷重を与えることも可能である。

通常は、研磨開始時にリテーナリング４０が研磨面２ａに接触した後に、局所荷重付与機構１１０を作動させてリテーナリング４０を押圧し、研磨終了後トップリング１が上昇する前に局所荷重付与機構１１０の作動を停止する。トップリング１が上昇位置にあるときに局所荷重付与機構１１０がリテーナリング４０を押圧すると、リテーナリング４０が傾いた状態となってしまい、ウェハの搬送上のトラブルが発生してしまう。このようなトラブルを避けるために、リテーナリング４０が研磨面２ａに接触していないトップリング１が上昇位置にあるときは、局所荷重付与機構１１０はリテーナリング４０を押圧しない。

また、ウェハの研磨中に膜厚センサ７の測定結果に基づいて、研磨中または次のウェハの研磨で適用される局所荷重の大きさおよび／または局所荷重の位置（すなわち局所荷重付与機構１１０の位置）を変更してもよい。次のウェハの研磨で適用される局所荷重の位置を変更する場合には、次のウェハの研磨前に事前に局所荷重の位置を変更することが好ましい。複数の局所荷重付与機構１１０が設置されている場合には、動作する局所荷重付与機構１１０を変更することで局所荷重の位置を変更することができる。また、複数の局所荷重付与機構１１０を動作させ、それぞれの局所荷重付与機構１１０による局所荷重の大きさの比を変更することによっても、局所荷重付与機構１１０の位置を変更するのと同様の効果を得ることができる。さらに、測定結果から研磨制御部９にて研磨プロファイル（すなわち、ウェハの半径方向の膜厚分布）を生成し、その研磨プロファイル、特にウェハエッジ部での研磨プロファイルに基づいて局所荷重や局所押圧位置を変更してもよい。その他、研磨装置内に設置された他の膜厚測定器による測定結果に基づいて、局所荷重や局所押圧位置を変更してもよい。

図２０は局所荷重付与機構１１０のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しないトップリング１の構成および動作は、図３および図４に示すトップリング１と同じであり、その重複する説明を省略する。図２０に示すトップリング１では、図７および図８（ａ）乃至図８（ｃ）に示す球面軸受１００が用いられているが、これに代えて図５および図６（ａ）乃至図６（ｃ）に示す球面軸受８５を用いてもよい。

リテーナリング４０の上部は、環状のリテーナリング押圧機構６０に接触している。このリテーナリング押圧機構６０は、リテーナリング４０の上面（より具体的には、ドライブリング４０ｂの上面）の全体に均一な下向きの荷重を与え、これによりリテーナリング４０の下面（すなわち、リング部材４０ａの下面）を研磨パッド２の研磨面２ａに対して押圧する。

リテーナリング４０は、リテーナリング押圧機構６０には固定されずに、単にリテーナリング押圧機構６０からの荷重を受けるように構成されているが、リテーナリング４０はリテーナリング押圧機構６０に固定されていてもよい。リテーナリング４０をリテーナリング押圧機構６０に固定する場合には、リテーナリング押圧機構６０のピストン６１を金属などの磁性材で形成し、図３に示すように、ドライブリング４０ｂの上部に複数の磁石が配置される。

図２１はリテーナリング４０と球面軸受１００とを連結するための連結部材７５を示す平面図である。図２１に示す基本的な構成は図４に示す構成を同じであるが、図２１では６本のスポーク７８が設けられている点で相違する。他の構成は図４の構成と同じであるので、その重複する説明を省略する。

図２０に示すように、リテーナリング４０は、トップリング本体１０から半径方向外側に張り出した上面を有している。このリテーナリング４０の上方には、リテーナリング４０の一部に局所荷重を与える押圧リング２００が配置されている。押圧リング２００の上方には局所荷重付与機構１１０が配置されている。局所荷重付与機構１１０は、局所荷重を研磨面２ａに対して垂直な方向に押圧リング２００の一部に加えるように構成されている。押圧リング２００は、リテーナリング４０の上方に配置された支持リング２０１と、この支持リング２０１の下部に固定された荷重伝達要素２０２を有している。押圧リング２００に与えられた局所荷重は荷重伝達要素２０２を通じてリテーナリング４０に伝達される。すなわち、局所荷重付与機構１１０は、基板保持面４５ａに対するリテーナリング４０の傾きを変更するように、押圧リング２００を介してリテーナリング４０に局所荷重を与える。

押圧リング２００を構成する支持リング２０１は、エンジニアリングプラスティック（例えばＰＥＥＫ、ＰＰＳなど）などの樹脂や、ステンレス鋼またはアルミニウムなどの金属により形成されている。押圧リング２００の外周部には円筒状のアンダーカバー２１１が固定されており、さらにアンダーカバー２１１の外周面にはアッパーカバー２１２が固定されている。これらアンダーカバー２１１およびアッパーカバー２１２は押圧リング２００から上方に延びており、研磨液などの液体のトップリング１への浸入を防いでいる。

図２０に示す実施形態では、支持リング２０１に回転自在に支持されたローラー（転動部）が荷重伝達要素２０２を構成する。以下、荷重伝達要素をローラーと称する。ローラー２０２は、ローラーシャフト２０３に回転自在に支持されている。ローラー２０２内には図示しないベアリングが配置されており、これによりローラー２０２はローラーシャフト２０３まわりに自由に回転可能となっている。

ローラー２０２は、リテーナリング４０の上面（より具体的には、ドライブリング４０ｂの上面）に固定された環状プレート２１５に転がり接触する。押圧リング２００は、局所荷重付与機構１１０からの局所荷重を受け、ローラー２０２を介してリテーナリング４０の一部に局所荷重を与える。環状プレート２１５は、リテーナリング押圧機構６０のピストン６１に一体に接続されている。したがって、環状プレート２１５は、リテーナリング押圧機構６０による均一な押圧力と局所荷重付与機構１１０による局所荷重との両方を受ける構成となっている。なお、環状プレート２１５をピストン６１とは別の要素として構成してもよい。さらに、環状プレート２１５を省略してローラー２０２をリテーナリング４０の上面に直接転がり接触させてもよい。

環状プレート２１５はエンジニアリングプラスティック（例えばＰＥＥＫ、ＰＰＳなど）などの樹脂や、ステンレス鋼またはアルミニウムなどの金属により形成されている。また、上述のようにドライブリング４０ｂ内に複数の磁石を配置する場合には磁性体の金属や磁性を有する耐食性ステンレス鋼を用いても良い。環状プレート２１５の上面、すなわちローラー２０２が転がり接触する面には、耐摩耗性を高めるために無電解ニッケルや硬質クロムなどの硬質材料をめっきにより形成したり、ＤＬＣなどの硬質材料をコーティングしても良い。

局所荷重付与機構１１０はトップリングヘッド１６に固定されており、その位置は固定されている。押圧リング２００はトップリング１とともに回転しないように局所荷重付与機構１１０により保持されている。すなわち、ウェハＷの研磨中、リテーナリング４０はその軸心まわりに回転するが、局所荷重付与機構１１０および押圧リング２００はリテーナリング４０とは一体に回転せず、その位置は固定である。

図２２はトップリング１、押圧リング２００、および局所荷重付与機構１１０の斜視図を示している。なお、図２２では、説明のために、一部の構成要素が省略されている。押圧リング２００はトップリング１上に配置されており、リテーナリング４０と同心形状を有している。押圧リング２００とリテーナリング４０の直径はほぼ同じである。押圧リング２００には局所荷重付与機構１１０が接続されており、局所荷重付与機構１１０は押圧リング２００の一部に局所的な荷重を加えるように構成されている。

局所荷重付与機構１１０は、押圧ロッド２２１、ブリッジ２２２、複数のエアシリンダ（荷重発生装置）２３１，２３２，２３３、複数のリニアガイド２２４、およびユニットベース２２５から主に構成されている。ユニットベース２２５はトップリングヘッド１６に固定され、ユニットベース２２５には複数の（図示の例では３つの）エアシリンダ２３１〜２３３および複数の（図示の例では４つの）リニアガイド２２４が取り付けられている。エアシリンダ２３１〜２３３のピストンロッド２３１ａ〜２３３ａおよび複数のガイドロッド２２６は、共通のブリッジ２２２に接続されている。複数のガイドロッド２２６はリニアガイド２２４により低摩擦で上下動自在に支持されている。これらのリニアガイド２２４により、ブリッジ２２２は傾くことなく滑らかに上下動可能となっている。

それぞれのエアシリンダ２３１〜２３３が発生した荷重は共通のブリッジ２２２に伝えられる。ブリッジ２２２は押圧ロッド（接続部材）２２１により押圧リング２００に接続されており、押圧ロッド２２１はブリッジ２２２に加えられたエアシリンダ２３１〜２３３の荷重を押圧リング２００に伝達する。押圧リング２００の押圧ロッド２２１との接続位置の下方には、上述した荷重伝達要素としてのローラー（転動部）２０２が配置されており、押圧ロッド２２１から押圧リング２００に加えられた局所荷重はローラー２０２を介してリテーナリング４０に伝達される。図２２に示される例では、２本の押圧ロッド２２１間の中間点の下方にローラーシャフト２０３が配置されている。複数のエアシリンダ２３１〜２３３はそれぞれ独立の圧力調整装置、上下動制御装置、および大気開放機構（図示せず）に接続されており、互いに独立して荷重を発生できるように構成されている。

図２３（ａ）は、局所荷重付与機構１１０からリテーナリング４０に与えられる局所荷重を測定するロードセル１３５を示す図であり、図２３（ｂ）は図２３（ａ）に示す押圧リング２００をＢ−Ｂ線から見た図である。押圧リング２００は、その内部にロードセル１３５を備えている。より詳しくは、押圧リング２００の支持リング２０１の上面には凹部２０１ａが形成されており、この凹部２０１ａにロードセル１３５が設置されている。ロードセル１３５は、ローラー２０２の上方に位置している。ロードセル１３５上には荷重プレート２０４が配置されている。２本の押圧ロッド２２１の下端は荷重プレート２０４に接続されている。局所荷重付与機構１１０によって生成された局所荷重は、２本の押圧ロッド２２１および荷重プレート２０４を通じてロードセル１３５に伝達され、ロードセル１３５はこの局所荷重を計測する。

押圧リング２００の姿勢を安定させるために、押圧リング２００は少なくとも３つのローラーを備えていることが好ましい。本実施形態では、押圧リング２００は、ローラー２０２（以下、適宜第１ローラー２０２という）に加えて、図示しない第２ローラーおよび第３ローラーを備えている。これら第２ローラーおよび第３ローラーは、第１ローラー２０２の位置から±１５０度の位置にそれぞれ配置されている。第１ローラー２０２は押圧ロッド２２１の下方に配置されているので、局所荷重付与機構１１０からの荷重は第１ローラー２０２からリテーナリング４０に局所的に加えられ、第２ローラーおよび第３ローラーは局所荷重付与機構１１０からの荷重をリテーナリング４０には実質的に伝えない。押圧ロッド２２１は第１ローラー２０２よりも半径方向内側に配置されている。これは、押圧ロッド２２１が押圧リング２００を押圧したときに押圧リング２００が傾いてしまうことを防止するためである。

図２４はブリッジ２２２の上面図である。図２４に示すように、ブリッジ２２２は略円弧形状を有しており、押圧ロッド２２１の設置位置を変えられるように、ブリッジ２２２の周方向に沿って配列する複数の開孔２２２ａを有している。これらの開孔２２２ａは押圧リング２００の周方向に沿って配列されている。２本の押圧ロッド２２１は、これら複数の開孔２２２ａのうちのいずれか２つに着脱可能に挿入されている。押圧ロッド２２１は１本でもよい。このようなブリッジ２２２によれば、押圧ロッド２２１の押圧リング２００への接続位置はそのままに維持しつつ、ブリッジ２２２と押圧ロッド２２１との接続位置を変更することにより、リテーナリング４０への局所荷重の位置をその周方向に沿って変更することが可能となる。

トップリング１への液体の浸入を防ぐために、押圧リング２００とリテーナリング４０とは離間させない状態でトップリング１を動作させるのが望ましい。トップリング１が上昇しているときは、エアシリンダ２３１〜２３３に供給される圧力は大気圧または弱い圧力とされる。研磨開始時などトップリング１が下降する際には、トップリング１の下降と同時にエアシリンダ２３１〜２３３に圧力を供給して３つのエアシリンダ２３１〜２３３のピストンロッド２３１ａ〜２３３ａを下降させる。３本のピストンロッド２３１ａ〜２３３ａの下降速度をそろえるために、通常はそれぞれのエアシリンダ２３１〜２３３への供給圧力は同じにする。トップリング１が下降位置に達するとそれぞれのエアシリンダ２３１〜２３３への供給圧力を変更し、後述する制御方法でエアシリンダ２３１〜２３３の荷重が制御される。研磨終了後などトップリング１が上昇する際にはエアシリンダ２３１〜２３３内を大気開放するか、または弱い圧力にし、上昇するトップリング１によって押圧リング２００を一緒に上昇させる。

次に、各エアシリンダ２３１〜２３３が発生する荷重の制御方法について図２５を参照して説明する。図２５は各エアシリンダ２３１〜２３３および局所荷重点（ローラー２０２）の位置関係を示した上面図である。前述したように押圧ロッド２２１のブリッジ２２２への取り付け位置を変更することにより、リテーナリング４０への局所荷重点Ｑの位置を変更することが可能である。エアシリンダ２３１〜２３３の荷重は、押圧ロッド２２１の取り付け位置に基づいて制御される。具体的には、局所荷重点Ｑまわりのモーメントが釣り合うようにエアシリンダ２３１〜２３３の荷重バランスが決定される。局所荷重点Ｑまわりのモーメントが釣り合わない状態で各エアシリンダ２３１〜２３３がブリッジ２２２を押圧すると、ブリッジ２２２が傾き、それによりピストンロッド２３１ａ〜２３３ａやリニアガイド２２４の摺動抵抗が増加し、結果としてリテーナリング４０への局所荷重が不安定となる。

図２５に示されるように、エアシリンダ２３１，２３２，２３３から局所荷重点ＱまでのＸ方向の距離をそれぞれｘ１，ｘ２，ｘ３とし、Ｘ方向に直交するＹ方向の距離をそれぞれｙ１，ｙ２，ｙ３とし、エアシリンダ２３１，２３２，２３３が発生する荷重をそれぞれＦ１，Ｆ２，Ｆ３とし、目標とする局所荷重をＦとすると、以下の関係が成り立つ。
Ｆ１*ｘ１＋Ｆ２*ｘ２−Ｆ３*ｘ３＝０
Ｆ１*ｙ１−Ｆ２*ｙ２−Ｆ３*ｙ３＝０
Ｆ１＋Ｆ２＋Ｆ３＝Ｆ

ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｙ１，ｙ２，ｙ３の値は局所荷重点Ｑの位置から決まるので、上式よりＦ１，Ｆ２，Ｆ３のＦに対する割合が算出される。複数のエアシリンダ２３１〜２３３のうちに押圧ロッド（接続部材）２２１に近いエアシリンダは相対的に大きな荷重を発生し、押圧ロッド２２１から遠いエアシリンダは相対的に小さい荷重を発生する。複数のエアシリンダ２３１〜２３３が発生した荷重の重心が押圧ロッド２２１の位置（局所荷重点Ｑの位置）に一致するように、複数のエアシリンダ２３１〜２３３はそれぞれ荷重を発生することが好ましい。このようにして算出された荷重バランスに基づいて各エアシリンダ２３１〜２３３の荷重が制御される。

前述のロードセル１３５により測定された局所荷重が所望の局所荷重Ｆと異なる場合には警報を発報したり、エアシリンダが発生する荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を変更してもよい。測定された局所荷重が所望の局所荷重Ｆよりも小さい場合には、荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３をそれぞれ増加させ、測定された局所荷重が所望の局所荷重Ｆよりも大きい場合には、荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３をそれぞれ減少させる。その場合、上式より算出されたＦ１：Ｆ２：Ｆ３の比を保ったまま荷重Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３を変更することが望ましい。

局所荷重点Ｑの位置、すなわちローラー２０２の位置は任意に選択可能ではあるが、上述した荷重安定性の観点からは３つのエアシリンダ２３１，２３２，２３３を結んだ三角形（太線で示す）内にローラー２０２を設置するのが望ましい。３つのエアシリンダ２３１，２３２，２３３を結んだ三角形内にローラー２０２を設置することにより、ローラー２０２は局所荷重点Ｑまわりのモーメントが釣り合った状態でリテーナリング４０を局所押圧することが可能となる。

次に、トップリング１から液体および塵を吸引するための吸引機構２４０について説明する。図２２に示すように、吸引機構２４０は、真空源（例えば真空ポンプ）２３９に接続された第１吸引ライン２４１および第２吸引ライン２４２と、これら２本の吸引ライン２４１，２４２を保持する吸引ライン保持部２４４とを備えている。２本の吸引ライン２４１，２４２の先端は、押圧リング２００に接続されている。

図２６（ａ）は第１吸引ライン２４１と押圧リング２００との接続部を示す拡大図であり、図２６（ｂ）は第２吸引ライン２４２と押圧リング２００との接続部を示す拡大図である。第１吸引ライン２４１は、押圧リング２００の上面に形成された環状凹部２４８に連通している。この環状凹部２４８には、下方に延びる環状凸部２４９が緩やかに挿入されている。環状凸部２４９はトップリング本体１０の外周面に固定されている。これらの環状凸部２４９と環状凹部２４８とによってラビリンス構造が形成されており、このラビリンス構造によって押圧リング２００とトップリング１との隙間に液体が入り込まないようになっている。第１吸引ライン２４１は環状凹部２４８に溜まった液体を吸引するようになっている。

図２６（ｂ）に示すように、第２吸引ライン２４２の先端は、押圧リング２００に形成された縦孔２４７に接続されている。この縦孔２４７は押圧リング２００を貫通して延びており、押圧リング２００とリテーナリング４０との間の隙間に連通している。第２吸引ライン２４２は、荷重伝達要素であるローラー２０２の転がり接触に起因して発生しうる粉塵（例えば、ローラー２０２の摩耗粉）を吸引する。

図２２に示すように、吸引ライン保持部２４４には、押圧リング２００の上面まで延びる磁性体２５０が固定されている。図２７は、磁性体２５０および押圧リング２００を示す拡大図である。図２７に示すように、押圧リング２００内には上側永久磁石２５１および複数の下側永久磁石２５２が埋設されている。上側永久磁石２５１は、磁性体２５０の位置に対応する位置に配置されており、磁性体２５０の下端と上側永久磁石２５１との間には互いに引き合う磁力が発生する。２本の吸引ライン２４１，２４２はこの磁力によって押圧リング２００に着脱可能に固定される。このような構成により、メンテナンスの際には磁性体２５０および吸引ライン２４１，２４２を容易に押圧リング２００から取り外すことが可能となる。複数の下側永久磁石２５２は、押圧リング２００の周方向に沿って配列されている。下側永久磁石２５２と磁性材で形成された環状プレート２１５との間には引き合う磁力が発生し、この磁力によって押圧リング２００の位置を安定させることができる。

図２２に示すように、吸引機構２４０は取付リング２５５に着脱可能に取り付けられている。取付リング２５５はユニットベース２２５に固定されている。図２８は、取付リング２５５を示す平面図である。図２８に示すように、取付リング２５５は円弧状の形状を有しており、その周方向に沿って複数の取付孔２５５ａが形成されている。吸引ライン保持部２４４は、これらの取付孔２５５ａのうちの少なくとも１つに挿入されるねじ（図示せず）によって取付リング２５５に着脱可能に固定される。したがって、取付リング２５５に設置される吸引機構２４０の位置は変更可能である。

上述したように、局所荷重点の位置の変更は、押圧ロッド２２１のブリッジ２２２への取り付け位置を変更することによって実施される。押圧ロッド２２１のブリッジ２２２への取り付け位置を変えるとき、吸引ライン２４１，２４２を押圧リング２００とともに押圧リング２００の周方向に沿って移動させる必要がある。したがって、押圧ロッド２２１の取り付け位置の変更に伴って、吸引機構２４０の設置位置も変更される。

図２９は局所荷重付与機構のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図２０に示す実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。この実施形態では、複数の局所荷重付与機構１１０がトップリングヘッド１６に固定されている。各局所荷重付与機構１１０としては、エアシリンダが使用されている。これら複数の局所荷重付与機構１１０は押圧リング２００に連結されている。局所荷重付与機構１１０は、それぞれ押圧リング２００の一部に研磨面２ａに対して垂直な方向に局所荷重を与えるように構成される。

押圧リング２００は、複数の局所荷重付与機構１１０からの局所荷重を受け、さらにこれらの局所荷重をリテーナリング４０に伝える荷重伝達要素としての複数のローラー（転動部）２０２を有している。これらのローラー２０２は複数の局所荷重付与機構１１０の真下にそれぞれ配置されている。荷重伝達要素２０２は、ローラー２０２に代えて、リテーナリング４０と摺動する凸形状などの摺動部分であってもよい。

図示しないが、複数のロードセルが押圧リング２０２内に配置されている。これらロードセルは、ローラー２０２と局所荷重付与機構１１０との間にそれぞれ設置されている。各ロードセルの配置は、図２３（ａ）および図２３（ｂ）に示すロードセル１３５と同様である。図２９に示される実施形態においては、複数のロードセルが複数のローラーの上方にそれぞれ設置されている。これらのロードセルにより測定された荷重が所望の値と異なる場合には、警報を発報したり、それぞれ対応する局所荷重付与機構１１０によって発生される荷重を変更することが望ましい。

複数の局所荷重付与機構（本実施例ではエアシリンダ）１１０の荷重バランスにより、リテーナリング４０への局所荷重の重心、すなわちリテーナリング４０の周方向における圧力分布を制御することが可能となる。図２２に示される実施形態では、ブリッジ２２２に対する押圧ロッド２２１の相対位置を変更することにより局所荷重点の位置を変更可能であるが、図２９に示す実施形態は、複数の局所荷重付与機構１１０の荷重バランスを変更することにより、より簡便にリテーナリング４０への局所荷重点の位置を変更することが可能である。図２０に示すトップリング１では、リテーナリング押圧機構６０によりリテーナリング４０全体に均一な荷重を与え、押圧リング２００によりリテーナリング４０に局所的な荷重を与えるようにされているが、本実施形態ではリテーナリング押圧機構６０を用いずに複数の局所荷重付与機構１１０によりリテーナリング４０へ均一荷重および局所荷重の両方をかけるようにしてもよい。

次に、図２９で示した局所荷重の制御方法について図３０（ａ）乃至図３０（ｃ）を参照して説明する。図３０（ａ）乃至図３０（ｃ）はエアシリンダおよび押圧リング２００を示した平面図である。図３０（ａ）乃至図３０（ｃ）に示す角度θは、図１４で説明した角度に相当する。図３０（ａ）は２つのエアシリンダから押圧リング２００に局所荷重を与える例を示し、図３０（ｂ）は３つのエアシリンダから押圧リング２００に局所荷重を与える例を示し、図３０（ｃ）は４つのエアシリンダから押圧リング２００に局所荷重を与える例を示している。いずれの例でも、複数のエアシリンダが発生する局所荷重の重心は、リテーナリング４０の中心から離れている。図示しないが、５つ以上のエアシリンダを設ける場合にも、同様にして本発明を適用することが可能である。

図３０（ａ）では、２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂは角度１８０°（θで表す）の線に対して軸対称に配置されている。２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂでリテーナリング４０に局所荷重を加える場合には、２つの局所荷重の重心は２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂを結んだ線分内に設定することが可能である。例えば、角度１８０°の線上の位置に局所荷重を与える場合には、２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂの荷重は同じとされる。

図３０（ｂ）では、３つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃはリテーナリング４０の中心（押圧リング２００の中心）まわりに等間隔で配置されている。この例では、３つの局所荷重の重心は３つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃを結んだ正三角形内に設定することが可能となる。例えば、角度１８０°の線上の位置に局所荷重を与える場合には、下流側のエアシリンダ１１０Ｃの荷重を最も強くし、上流側の２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂの荷重を同じとする。さらに、上流側の２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂの総荷重を下流側のエアシリンダ１１０Ｃの荷重よりも小さくする。この場合、上流側の２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂの荷重を０としたときに、リテーナリング４０の傾きを与える効果が最も大きくなる。

図３０（ｃ）では、４つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄはリテーナリング４０の中心（押圧リング２００の中心）まわりに等間隔で配置されている。この例では、４つの局所荷重の重心は４つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ，１１０Ｄを結んだ正四角形内に設定することが可能となる。例えば、角度１８０°の線上の位置に局所荷重を与える場合には、下流側の２つエアシリンダ１１０Ｃ，１１０Ｄの荷重を互いに同じとし、上流側の２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂの荷重を互いに同じする。さらに上流側の２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂの総荷重を下流側の２つエアシリンダ１１０Ｃ，１１０Ｄの総荷重よりも小さくする。この場合も、上流側の２つのエアシリンダ１１０Ａ，１１０Ｂの荷重を０としたときに、リテーナリング４０の傾きを与える効果が最も大きくなる。

図３０（ｃ）に示す４点荷重の構成は、図３０（ｂ）に示す３点荷重の構成よりも、より広い領域で荷重重心をリテーナリング４０に近づけることができる。したがって、４点荷重の構成は、３点荷重の構成よりもより広い領域においてリテーナリング４０を大きく傾けることができる。例えば、３点荷重の構成を用いて角度１３５°の線上の位置を押圧する場合、エアシリンダ１１０Ａおよびエアシリンダ１１０Ｃは同じ荷重Ｌでリテーナリング４０を押圧し、エアシリンダ１１０Ｂの荷重は０とする。リテーナリング４０の中心から各エアシリンダまでの距離をＲとすると、リテーナリング４０の傾きを変えるように作用するモーメントは、Ｌ*Ｒである。４点荷重の構成では、エアシリンダ１１０Ｃのみが荷重２Ｌでリテーナリング４０を押圧する。荷重２Ｌは荷重Ｌの２倍を意味している。この場合、リテーナリング４０の傾きを変えるように作用するモーメントは、２Ｌ*Ｒとなる。いずれの場合もリテーナリング４０に作用するトータルの局所荷重は２Ｌであるが、３点荷重の構成よりも４点荷重の構成の方がリテーナリング４０の傾きを変えるためのより大きなモーメントを発生させることが可能である。

図３１はトップリング１の他の実施形態を示す断面図である。本実施形態ではトップリング１は、リテーナリング４０の一部を研磨面２ａに対して垂直方向に押圧する押圧部材２６０と、リテーナリング４０を研磨面２ａに押圧するための押圧力を押圧部材２６０に与える荷重発生装置２６１とを有している。本実施形態では、荷重発生装置２６１と押圧部材２６０とにより、リテーナリング４０の一部に研磨面２ａに対して垂直方向の局所荷重を付与する局所荷重付与機構が構成される。押圧部材２６０は、荷重発生装置２６１とリテーナリング４０との間に配置された支持リング２６２に固定されている。更に研磨装置には、押圧部材２６０がトップリング１と一体に回転しないように押圧部材２６０の位置を保持する位置保持機構２７０が設置されている。

荷重発生装置２６１は、トップリング本体１０のフランジ４１内に設置されている。この荷重発生装置２６１は、リテーナリング押圧機構６０と同様に、ピストン２６３およびローリングダイヤフラム２６４を有している。荷重発生装置２６１は、ローリングダイヤフラム２６４によって形成される圧力室２６５に供給する加圧流体の圧力を変更することにより押圧部材２６０へ与える押圧力を変更可能である。

図３２（ａ）は押圧部材２６０および位置保持機構２７０を示す平面図であり、図３２（ｂ）は押圧部材２６０の側面図である。押圧部材２６０は、荷重発生装置２６１から荷重を受ける上側ローラー２６０ａ，２６０ｂと、この荷重をリテーナリング４０の一部に伝える下側ローラー２６０ｃ，２６０ｄと、これらローラー２６０ａ〜２６０ｄを保持するローラー保持部２６０ｅとを備えている。ローラー保持部２６０ｅは支持リング２６２に固定されている。

トップリング本体１０とリテーナリング４０との間の隙間は、シールリング２７２およびシールシート２７３によってシールされており、トップリング１内への研磨液等の飛沫の浸入やトップリング１から研磨面２ａへの異物の落下が防止されている。シールリング２７２は、断面Ｌ字形状を有しており、その下面はリテーナリング４０に固定されている。シールリング２７２はリテーナリング４０と一体に回転し、リテーナリング４０と一体に傾動可能となっている。上述した下側ローラー２６０ｃ，２６０ｄは、シールリング２７２の上面に転がり接触する。したがって、下側ローラー２６０ｃ，２６０ｄはシールリング２７２を介して荷重発生装置２６１の荷重をリテーナリング４０の一部に伝達し、リテーナリング４０を基板保持面４５ａに対して傾ける。なお、下側ローラー２６０ｃ，２６０ｄをリテーナリング４０の上面に直接接触させ、下側ローラー２６０ｃ，２６０ｄがリテーナリング４０の一部に直接荷重を伝達してもよい。

位置保持機構２７０は、支持リング２６２に取り付けられた保持ターゲット２７５と、保持ターゲット２７５を保持するターゲット保持部２７６を有している。支持リング２６２には、その全周に亘って複数の取付用孔２６２ａが形成されている。保持ターゲット２７５は、これら複数の取付用孔２６２ａのいずれか１つに着脱可能に取り付けられる。したがって、保持ターゲット２７５の取り付け位置を変更することにより、押圧部材２６０の位置をリテーナリング４０の周方向に沿って変えること、すなわちリテーナリング４０に与えられる局所荷重の位置を変えることができる。

ターゲット保持部２７６は、保持ターゲット２７５に近接して配置されている。ターゲット保持部２７６の位置は固定されている。ターゲット保持部２７６は保持ターゲット２７５の位置を磁力によって非接触で保持している。より詳しくは、ターゲット保持部２７６および保持ターゲット２７５のうちの一方は永久磁石から構成され、他方は磁性材から構成されている。永久磁石の代わりに電磁石を用いてもよい。ターゲット保持部２７６と保持ターゲット２７５との間には引き付け合う磁力が発生し、保持ターゲット２７５はターゲット保持部２７６によって磁力を介して非接触に保持される。したがって、保持ターゲット２７５が固定されている支持リング２６２は磁力によってその位置が固定され、トップリング１とは一体に回転しない。

ターゲット保持部２７６と保持ターゲット２７５とは離間しているので、図３１に示すように、ターゲット保持部２７６と保持ターゲット２７５との間にシールリング２７２および／またはシールシート２７３を配置することが可能となる。この実施形態に代えて、ターゲット保持部２７６を保持ターゲット２７５に直接連結し、接触状態で保持ターゲット２７５を保持してもよい。

図３２（ａ）に示すように、支持リング２６２にセンサターゲット２８１を設け、このセンサターゲット２８１を感知できる近接センサ２８２を配置することが好ましい。近接センサ２８２は、トップリング１の外側に配置されており、トップリング１とは一体に回転しない。このような配置とすることで、近接センサ２８２は、支持リング２６２の位置が位置保持機構２７０により保持されているかどうか、すなわち支持リング２６２および押圧部材２６０がトップリング１と一体に回転していないかどうかを検知することが可能である。センサターゲット２８１は、支持リング２６２の取付用孔２６２ａに着脱可能に取り付けられており、その設置位置は変更可能となっている。図３２（ａ）に示す例では、センサターゲット２８１は保持ターゲット２７５に隣接して配置されているが、センサターゲット２８１を保持ターゲット２７５から離間して配置してもよい。センサターゲット２８１と近接センサ２８２の組合せの例としては、センサターゲット２８１を非磁性材の金属で形成し、近接センサ２８２として渦電流センサを用いる組合せが挙げられる。

ターゲット保持部２７６は、支持リング２６２の位置を磁力により保持するためにトップリング１と同期して上下動するか、トップリング１の上下動距離よりも長い縦方向の寸法を有することが望ましい。図３１および図３２（ａ）に示す例では、ターゲット保持部２７６および近接センサ２８２は、上下動機構２８５に連結されており、この上下動機構２８５によってトップリング１と同期して上下動可能となっている。上下動機構２８５としては、例えば、サーボモータとボールねじとの組み合わせが使用される。

ターゲット保持部２７６の位置は固定であるのに対して、保持ターゲット２７５の支持リング２６２への設置位置は変更可能である。したがって、支持リング２６２上の押圧部材２６０と保持ターゲット２７５との相対位置を変更することにより、リテーナリング４０に対する局所荷重点を変更することが可能となる。例えば、保持ターゲット２７５から１８０度の位置に押圧部材２６０がある場合には、押圧部材２６０は保持ターゲット２７５から１８０度の位置に局所荷重を与えることが可能である。保持ターゲット２７５から９０度の位置に押圧部材２６０がある場合には、押圧部材２６０は保持ターゲット２７５から９０度の位置に局所荷重を与えることが可能である。保持ターゲット２７５の設置位置を可変とする代わりに押圧部材２６０の設置位置を可変としてもよい。

図３３は、球面軸受１００に支持された軸部７６の変形例を示す断面図である。図３３に示すように、軸部７６はフランジ部７６Ａとシャフト部７６Ｂとに分割され、これらが接着層７６Ｃで接着された構造とされている。フランジ部７６Ａにはアルミニウムやステンレス鋼などの金属を用い、シャフト部７６Ｂにアルミナ、ＳｉＣ、またはジルコニアなどの剛性が高く耐摩耗性に優れたセラミックを用いることが好ましい。このような軸部７６の構成は、研磨テーブル３内に埋設された膜厚センサ７として渦電流センサが用いられる場合に好適である。すなわち、トップリング１の基板保持面４５ａの近傍に金属が存在すると、渦電流センサの測定値に影響を与えるおそれがある。そこで、このような悪影響を回避するために、シャフト部７６Ｂをセラミックで形成することが好ましい。図３３に示す変形例は、図５に示す球面軸受８５に支持された軸部７６にも同様に適用することが可能である。

図３４は、トップリング１のさらに他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成および動作は、図２０に示す実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。図３４に示すように、フランジ４１はトップリングシャフト１１に接続されている。トップリングシャフト１１およびトップリング本体１０内には複数の流路２９０が形成されており、これらの流路２９０はそれぞれ圧力室５０〜５３、およびリテーナリング圧力室６３に接続されている。なお、図３４には、複数の流路２９０のうちの一部のみが図示されている。これら複数の流路２９０はチューブなどの配管部材から構成されているのではなく、トップリングシャフト１１およびトップリング本体１０に削孔により形成されたものである。

図３５は、トップリング１のさらに他の実施形態を示す部分断面図である。ドライブリング４０ｂには、半径方向内側に延びる複数のストッパピン２９５が取り付けられている。これらのストッパピン２９５はキャリア４３の外周面に形成された複数の凹部４３ｃにそれぞれ挿入されている。このような構成により、メンテナンスのためにキャリア４３、ドライブリング４０ｂ、およびリテーナリング４０を取り外した際に、キャリア４３とドライブリング４０ｂとが離れてしまわないようになっている。

リテーナリング４０内には補強リング２９７が埋設されている。この補強リング２９７は、ドライブリング４０ｂとリング部材４０ａとの間に配置されており、リテーナリング４０と同心に配置されている。補強リング２９７は、研磨中ウェハと研磨パッド２との摩擦力を受けるリテーナリング４０の変形を防止するためのものである。ドライブリング４０ｂの外周面にはカバーリング２９８が設置されている。カバーリング２９８とドライブリング４０ｂとの間にはＯ−リング３０１が配置され、およびカバーリング２９８とリング部材４０ａとの間にはＯ−リング３０２が配置されている。これらのＯ−リング３０１，３０２によりトップリング１への研磨液などの液体の浸入が防止されている。

上述した研磨装置および研磨方法の実施形態は適宜組み合わせることができる。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ トップリング
２ 研磨パッド
３ 研磨テーブル
５ 研磨液供給機構
７ 膜厚センサ
９ 研磨制御部
１０ トップリング本体
１１ トップリングシャフト
１２ 回転筒
１３ モータ
１４ 上下動機構
１６ トップリングヘッド
２０ タイミングプーリ
２１ トップリングヘッドシャフト
２５ ロータリージョイント
２６ 軸受
２７ 上下動機構
２８ ブリッジ
２９ 支持台
３０ 支柱
３２ ボールねじ
３８ サーボモータ
３９ トップリング高さセンサ
４０ リテーナリング
４１ フランジ
４２ スペーサ
４３ キャリア
４５ 弾性膜
４５ａ 基板保持面
５０〜５３ 圧力室
６０ リテーナリング押圧機構
６１ ピストン
６２ ローリングダイヤフラム
６３ リテーナリング圧力室
６５ 圧力調整装置
７０ 磁石
７５ 連結部材
７６ 軸部
７７ ハブ
７８ スポーク
７９ ねじ
８０ 駆動ピン
８５，１００ 球面軸受
８８ 貫通穴
９１ 中間輪
９２，１０２ 外輪
９３，１０１ 内輪
１１０ 局所荷重付与機構
１１１ 荷重伝達部材
１１２ ガイドリング
１１４ エアシリンダ
１１５ 車輪
１１６ 車輪軸
１２０ 回転カバー
１２１ 静止カバー
１２２ シール材
１３０，１４０ 永久磁石
１３１ 電磁石
１３３ 昇降機構
１３５ ロードセル
１５０ トップリングベース
１５５ 球面軸受
１５８ 駆動フランジ
１６０ 弾性膜
１６１ 圧力室
１７０ 移動機構
１７５ リテーナリング高さセンサ
２００ 押圧リング
２０１ 支持リング
２０２ 荷重伝達要素（ローラー）
２０３ ローラーシャフト
２０４ 荷重プレート
２１１ アンダーカバー
２１２ アッパーカバー
２１５ 環状プレート
２２１ 押圧ロッド
２２２ ブリッジ
２２４ リニアガイド
２２５ ユニットベース
２３１，２３２，２３３ エアシリンダ（荷重発生装置）
２３１ａ〜２３３ａ ピストンロッド
２３９ 真空源
２４０ 吸引機構
２４１ 第１吸引ライン
２４２ 第２吸引ライン
２４４ 吸引ライン保持部
２４７ 縦孔
２４８ 環状凹部
２４９ 環状凸部
２５０ 磁性体
２５１ 上側永久磁石
２５２ 下側永久磁石
２５５ 取付リング
２６０ 押圧部材
２６０ａ，２６０ｂ 上側ローラー
２６０ｃ，２６０ｄ 下側ローラー
２６０ｅ ローラー保持部
２６１ 荷重発生装置
２６２ 支持リング
２６３ ピストン
２６４ ローリングダイヤフラム
２６５ 圧力室
２７０ 位置保持機構
２７２ シールリング
２７３ シールシート
２７５ 保持ターゲット
２７６ ターゲット保持部
２８１ センサターゲット
２８２ 近接センサ
２８５ 上下動機構
２９０ 流路
２９５ ストッパピン
２９７ 補強リング
２９８ カバーリング
３０１，３０２ Ｏ−リング

Claims (37)

1. 基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、
   前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置と、
   前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、を備え、
   前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、
   前記研磨装置は、前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける少なくとも１つの局所荷重付与機構とを備え、
   前記局所荷重付与機構は、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする研磨装置。
2. 前記基板保持装置は、前記リテーナリングの上面の全体に均一な下向きの荷重を与えることで前記リテーナリングの下面を前記研磨面に対して押圧するリテーナリング押圧機構をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記基板保持面および前記リテーナリングは、互いに相対的に上下動可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
4. 前記基板保持装置は、前記基板の研磨中に該基板から前記リテーナリングに加わる横方向の力を受ける支持機構をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の研磨装置。
5. 前記局所荷重付与機構は、前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に与えるためのエアシリンダを備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。
6. 前記局所荷重付与機構は、前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に与えるための磁石を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の研磨装置。
7. 前記磁石は電磁石であり、該電磁石は下向きの局所荷重および上向きの局所荷重を選択的に前記リテーナリングの一部に与えることを特徴とする請求項６に記載の研磨装置。
8. 前記局所荷重付与機構の設置位置は変更可能であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の研磨装置。
9. 前記研磨装置は、前記研磨面を前記基板保持装置に対して相対的に水平方向に移動させる研磨面移動機構をさらに備えており、
   前記局所荷重付与機構は、前記研磨面の移動方向に関して前記基板の下流側に位置することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の研磨装置。
10. 前記少なくとも１つの局所荷重付与機構は、複数の局所荷重付与機構であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の研磨装置。
11. 基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、
    前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置を備え、
    前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、
    前記研磨装置は、前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける局所荷重付与機構をさらに備え、
    前記局所荷重付与機構の設置位置は変更可能に構成されていることを特徴とする研磨装置。
12. 前記研磨装置は、前記リテーナリングの鉛直方向の変位を測定するリテーナリング高さセンサをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の研磨装置。
13. 前記研磨装置は、前記リテーナリングの鉛直方向の変位の測定結果に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする請求項１２に記載の研磨装置。
14. 前記研磨装置は、前記基板の研磨中に前記基板の表面を横切りながら該基板の複数の領域において前記基板の膜厚を示す膜厚信号を取得する膜厚センサをさらに備え、
    前記取得された膜厚信号に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の研磨装置。
15. 基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨方法であって、
    前記基板を回転させながら該基板を前記研磨面に押圧し、
    前記基板を囲むように配置されたリテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、
    前記基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記リテーナリングとは一体に回転しない局所荷重付与機構から前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板に対して傾けることを特徴とする研磨方法。
16. 前記基板の研磨結果に基づいて前記局所荷重の位置を変更することを特徴とする請求項１５に記載の研磨方法。
17. リテーナリング高さセンサで前記リテーナリングの鉛直方向の変位を測定し、
    前記リテーナリングの鉛直方向の変位の測定結果に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする請求項１５または１６に記載の研磨方法。
18. 前記基板の研磨中に膜厚センサが前記基板の表面を横切りながら、該基板の複数の領域において前記基板の膜厚を示す膜厚信号を前記膜厚センサにより取得し、
    前記取得された膜厚信号に基づいて前記局所荷重の大きさおよび位置のいずれか一方、または両方を変更することを特徴とする請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の研磨方法。
19. 第１の基板を回転させながら該第１の基板を研磨面に押圧し、
    前記第１の基板を囲むように配置されたリテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、
    前記第１の基板を前記研磨面に押圧しているときに、所定の第１の位置に静止する局所荷重付与機構から前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記第１の基板に対して傾け、
    前記第１の基板の研磨後、第２の基板を回転させながら該第２の基板を前記研磨面に押圧し、
    前記リテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、
    前記第２の基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記所定の第１の位置とは異なる所定の第２の位置に静止する前記局所荷重付与機構から前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記第２の基板に対して傾け、
    前記第１の基板および前記第２の基板の研磨結果を取得し、
    前記研磨結果に基づいて、前記局所荷重付与機構の位置を決定することを特徴とする研磨方法。
20. 前記第２の基板の研磨での前記局所荷重は、前記第１の基板の研磨での前記局所荷重と異なることを特徴とする請求項１９に記載の研磨方法。
21. 基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、
    前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置と、
    前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、
    局所荷重を発生させる局所荷重付与機構と、
    前記局所荷重付与機構と前記リテーナリングとの間に配置された押圧リングとを備え、
    前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、
    前記局所荷重付与機構は、前記押圧リングの一部に前記研磨面に対して垂直な方向に局所荷重を与え、
    前記押圧リングは、前記局所荷重付与機構から受けた前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に伝達することで前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける荷重伝達要素を有し、
    前記局所荷重付与機構および前記押圧リングは、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする研磨装置。
22. 前記荷重伝達要素の位置は、前記リテーナリングの周方向に沿って変更可能に構成されていることを特徴とする請求項２１に記載の研磨装置。
23. 前記荷重伝達要素は転動部から構成されることを特徴とする請求項２１または２２に記載の研磨装置。
24. 前記基板保持装置は、前記リテーナリングの上面の全体に均一な下向きの荷重を与えることで前記リテーナリングの下面を前記研磨面に対して押圧するリテーナリング押圧機構をさらに有することを特徴とする請求項２１乃至２３のいずれか一項に記載の研磨装置。
25. 前記局所荷重付与機構は、
    複数の荷重発生装置と、
    前記複数の荷重発生装置が発生した荷重を受けるブリッジと、
    前記ブリッジが受けた荷重を前記押圧リングに伝える接続部材とを有することを特徴とする請求項２１乃至２４のいずれか一項に記載の研磨装置。
26. 前記複数の荷重発生装置のうち前記接続部材に近い荷重付与機構は相対的に大きな荷重を発生し、前記接続部材から遠い荷重発生装置は相対的に小さい荷重を発生することを特徴とする請求項２５に記載の研磨装置。
27. 前記複数の荷重発生装置が発生した荷重の重心が前記接続部材の位置に一致するように、前記複数の荷重発生装置はそれぞれ荷重を発生することを特徴とする請求項２５または２６に記載の研磨装置。
28. 前記押圧リングと真空原とを接続する吸引ラインをさらに備えたことを特徴とする請求項２０乃至２７のいずれか一項に記載の研磨装置。
29. 基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、
    前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面、および前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリングを有する基板保持装置と、
    前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、
    局所荷重を発生させる複数の局所荷重付与機構と、
    前記複数の局所荷重付与機構と前記リテーナリングとの間に配置された押圧リングとを備え、
    前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、
    前記複数の局所荷重付与機構は、それぞれ前記押圧リングの一部に前記研磨面に対して垂直な方向に局所荷重を与え、
    前記押圧リングは、前記複数の局所荷重付与機構から受けた前記局所荷重をそれぞれ前記リテーナリングに伝達することで前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾ける複数の荷重伝達要素を有し、
    前記複数の局所荷重付与機構および前記押圧リングは、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする研磨装置。
30. 前記複数の荷重伝達要素は複数の転動部から構成されることを特徴とする請求項２９に記載の研磨装置。
31. 前記基板保持装置は、前記リテーナリングの上面の全体に均一な下向きの荷重を与えることで前記リテーナリングの下面を前記研磨面に対して押圧するリテーナリング押圧機構をさらに有することを特徴とする請求項２９または３０に記載の研磨装置。
32. 前記複数の局所荷重付与機構は、前記押圧リングに与える前記局所荷重の重心を変更可能に構成されていることを特徴とする請求項２９乃至３１のいずれか一項に記載の研磨装置。
33. 基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨装置であって、
    前記基板を囲むように配置され、前記研磨面に接触するリテーナリング、前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を付与する押圧部材、および前記局所荷重を発生させる荷重発生装置を有する基板保持装置と、
    前記基板保持装置をその軸心を中心として回転させる回転機構と、
    前記押圧部材が前記基板保持装置とは一体に回転しないように前記押圧部材の位置を保持する位置保持機構とを備え、
    前記基板保持装置は、前記基板を前記研磨面に対して押圧する基板保持面を有し、
    前記リテーナリングは、前記基板保持面とは独立して傾動可能であり、
    前記押圧部材は、前記荷重発生装置によって発生された前記局所荷重を前記リテーナリングの一部に伝達することで前記リテーナリングを前記基板保持面に対して傾けるように構成され、
    前記位置保持機構は、前記基板保持装置とは一体に回転しないことを特徴とする研磨装置。
34. 前記位置保持機構は、磁力により前記押圧部材の位置を保持することを特徴とする請求項３３に記載の研磨装置。
35. 請求項２１乃至３４のいずれか一項に記載の研磨装置を用いて基板を研磨することを特徴とする研磨方法。
36. 基板を研磨面に摺接させて該基板を研磨する研磨方法であって、
    前記基板を回転させながら該基板を前記研磨面に押圧し、
    前記基板を囲むように配置されたリテーナリングを回転させながら該リテーナリングを前記研磨面に接触させ、
    前記基板を前記研磨面に押圧しているときに、前記リテーナリングとは一体に回転しない複数の局所荷重付与機構から、それぞれ前記リテーナリングの一部に前記研磨面に対して垂直方向に局所荷重を与えることによって前記リテーナリングを前記基板に対して傾けることを特徴とする研磨方法。
37. 前記複数の局所荷重付与機構がそれぞれ発生する前記局所荷重を変えることにより、前記局所荷重の重心を変更することを特徴とする請求項３６に記載の研磨方法。

Images